1.精密加工法
Ames實驗室證實了金剛石結構的光子晶體具有很大的帶隙後, Yablonovitch等人便采用活性離子束以打孔法制造了第壹塊具有完全光子帶隙(photonic band gap, PBG)的三維光子晶體。他們采用反應離子束刻蝕技術在壹塊高介電常數的底板表面以偏離法線35.26°的角度從3個方向鉆孔,各方向的夾角為120°。但是,當孔鉆得較深,並彼此交叉時,孔會產生位置偏離,從而影響其周期性結構。
Ho等提出了木堆結構(Woodp ile Structure) ,即用介電柱的多層堆積形成完全帶隙的介電結構。Ozbay等用鋁棒堆積成Woodpile結構,其缺點是工藝比較繁瑣,且結構的周期準確性難以保證。Ozbay等又發展了逐層疊加結構(Layer-
by-layer Structure) ,即先制造出各向異性的二維Si/SiO2 層狀結構,然後以Woodp ile結構的周期結構形式進行逐層疊加,即四層形成壹個周期。通過層疊
法和半導體工藝的結合,使得設計出的光子晶體具有禁帶寬、帶隙可達到紅外及近紅外區的優點。由於是以半導體工業成熟的技術為基礎,精密加工法是制備光子晶體最為穩定可靠的方法。然而其工藝復雜、造價昂貴,並且受現有半導體技術水平的限制,若要制備更小波長尺度的三維光子晶體、晶體摻雜以及缺陷引入等方面卻存在著很大的挑戰。
2.膠體晶體法
早在1968年, Kriger等人就發現了由乳液聚合得到的聚苯乙烯膠乳(50～500nm)在體積分數超過35%時出現蛋白石特有的顏色。蛋白石是壹種具有不完全帶隙的光子晶體,其獨有的顏色是由可見光的布拉格衍射產生的。由於膠體晶體的晶格尺寸在亞微米級量級,它可望成為制造近紅外及可見光波段三維光子晶體的壹條有效途徑 。
在溶液中,膠體顆粒小球表面帶有電荷,在適當的電荷密度和顆粒濃度下,通過靜電力相互作用,小球自組織生長成周期性結構,形成膠體晶體。在毛細容器中,利用膠粒與帶電玻璃器壁的靜電力相互作用。當膠粒體積分數較高時,膠體懸浮顆粒以面心立方( FCC)點陣堆積; 當體積分數較低時,傾向於體心立方(BCC)點陣堆積,晶體的密排面平行於器壁表面。
目前,已經制備的膠體晶體多為聚苯乙烯乳膠體系和二氧化矽膠體顆粒體系。遺憾的是它們不具備高的介電比和合適的網絡拓撲結構,因而並不能產生完全光子帶隙。為了提高介電比,可以將膠體晶體小心脫水,得到緊密堆積的蛋白石結構。
3.反蛋白石結構法
反蛋白石結構是指低介電系數的小球(通常為空氣小球)以面心立方密堆積結構分布於高介電系數的連續介質中,這種結構將有望產生完全能隙。1997年Velev等人首先用經陽離子表面活性劑CTAB浸泡過的聚苯乙烯顆粒形成的膠體晶體為模
板,合成了含三維有序排列的空氣球的二氧化矽反蛋白石材料。主要采用模板法,具體操作為:以顆粒小球所構成的緊密堆積結構為模板,向小球間隙填充高介電常數的Si, Ge, TiO2 等材料,然後通過煆燒、化學腐蝕等方法將模板小球除去,得到三維空間的周期結構。Vlasov等人以SiO2 膠體晶體為模板,制得了硒化鎘有序大孔量子點陣固體材料。Blanco等人以SiO2 膠體晶體為模板,用化學氣相沈積法向其空隙填入矽,形成純矽反蛋白石結構的光子晶體。
4.其他方法
(1)飛秒激光幹涉法
利用飛秒激光幹涉法已實現了壹維、二維和三維近紅外波段的光子晶體制作。該方法利用衍射分束器將飛秒脈沖分為多束,然後用兩個透鏡會聚疊加。搭建的實驗裝置可實現較高的調整精度,以實現飛秒脈沖的瞬態疊加。采用二倍頻的飛秒激光, 波長為380nm, 脈寬80fs, 重復頻率82MHz,壹次照射制作, 照射功率約100μW,時間20 s。使用的是SU - 8膠等聚合物,聚合物薄膜厚度可達25μm。經激光照射後,進行顯影定影,即可形成光子晶體結構。通過衍射分束器可將壹束激光分為9束,再選擇不同角度的幾束實現不同維度的光子晶體曝光;選擇兩束可以實現壹維光子晶體加工,選擇四束可以實現二維光子晶體加工,而選擇合適角度的六束激光並使之疊加幹涉,可以實現三維光子晶體微加工,使加工精度更高。利用該方法, Campbell等人制成了可在可見光和近紅外光波段工作的三維光子晶體。
(2)聚焦離子束
利用聚焦離子束及其工作平臺可以靈活轉動的特點,在多孔的矽上沿壹定方向鉆孔,形成Yabno-vitch結構的三維光子晶體。也可在多層膜上刻蝕可在近紅外波段工作的壹維槽和多層膜垂直相交的二維光子晶體結構。國內已利用該方法制作了可見光和近紅外波段二維光子晶體,並測試了其光學特性。實驗表明,聚焦離子束可以加工出較高質量的二維光子晶體,加工的無源光子晶體光學特性較好。