科技中国杂志

人工带隙材料研究进展与趋势

来源:《科技中国》2018年第九期pp.10-13

日期:2018-09-19

  于笑潇1,王兵2,吴根1,陈卓敏3

  (1.科技部高技术研究发展中心;2.西安交通大学;3.复旦大学)

  人工带隙材料有许多奇特的调控效应,其基础和应用研究受到各国政府、军方、学术机构以及产业界的高度重视。本报告对光子人工带隙材料领域国内外研究进展和趋势进行了梳理分析,并提出了我国进一步发展重点和对策建议。

  一、关于人工带隙材料

  1. 定义与内涵

  人工带隙材料是指由亚单元结构周期排列而成,具有新奇的光学和电磁响应特性的一类新型量子材料。

  光子在人工带隙材料中的运动类似于电子在凝聚态物质中的运动,可以通过对光子能带的设计来达到调节和操控光子运动的目的。

  2. 研究意义

  由于光子人工带隙材料具有许多奇特的调控效应,因此在新型电磁材料、集成光子学、微纳光子学、国防科技等领域具有重要的应用。这方面的研究不仅对推动我国基础学科发展有重要科学意义,而且对高新技术的突破具有战略意义。

  光子人工带隙材料的基础和应用研究受到各国政府、军方、学术机构以及产业界的高度重视。美国等西方国家对光子微结构的基础和应用研究给予大规模持续支持。密歇根大学Theodore Norris教授牵头的项目“CEMRI for Photonic and Multiscale Nanomaterials”研究总投入约1000万美元。加州大学伯克利分校张翔教授近年来连续承担了7个美国国防部资助的人工带隙项目,这些项目的资助强度和研究运行模式与量子调控项目类似。

  二、世界发展现状与趋势

  国际范围内光子人工带隙材料研究的新成果主要体现在以下三个方面。

  1. 光子带隙调控新机理和新现象

  近年来,有关光子带隙调控新机理和新现象的研究非常活跃。例如,光子石墨烯的能带结构中狄拉克点附近的“能谷”依赖赝自旋特性、光子Landau能级等现象。利用光子微结构可以实现光子“能带反转”及光子拓扑绝缘体,进而观测到与光子拓扑性相关的光子边缘态和光子自旋霍尔效应等。拓扑性为操控光子的运动提供了一个新的自由度。还有带隙调控机制,如远场交换与近场耦合杂化机制所导致的深亚波长效应、等频率面拓扑转变诱导的调控现象、微结构诱导的人造磁场和规范势,及其相关光磁效应等。

  基于光子晶体的光子器件和光子集成取得长足进展,特别是有源器件方面,日本Noda小组成功制备全硅的拉曼微纳激光器、品质因子达9百万的微腔、瓦级光子晶体激光器。日本Notomi小组制备出最低阈值的光子晶体激光器,实现了超低能耗的数据传输;在光子晶体芯片上成功实现了大于100比特的全光存储;在光子晶体耦合腔体系中成功实现了单光子存储,存储时间达150皮秒;在硅光子晶体平台上,通过半导体纳米线,成功实现了可移动的高品质微腔。

  由于对光具有更强的局域效果,三维光子晶体波导、微腔成为未来的发展方向。光子晶体在光电耦合、热辐射调控、增强太阳能电池的发射效率等方面也有着重要的应用。近期相关研究揭示了光子晶体具有拓扑特性,发现了光子拓扑绝缘体、三维Dirac光子晶体、光子边缘态等的存在,以及光子输运表现出的奇特特性。利用光子微结构来产生纠缠光子、调控光子的传播及实现集成的光量子芯片,成为重要的研究方向。

  2. 亚波长光子微结构和表面等离激元研究

  利用亚波长光子微结构和表面等离激元实现对光的任意调控,是近年来人工电磁超材料的重要发展方向和研究热点之一。

  利用电介质超薄二维平面阵列,修正传统的斯涅耳定律,可以实现对电磁波波前相位、偏振、传播模式等特性进行有效调控。利用石墨烯和等离子天线构成三明治结构实现光电探测器,通过电压动态控制光电流,可实现光子微结构光学性质的动态调控。运用这种技术可以对微结构每个单元的相位、偏振和振幅进行调节和控制,形成多种形式的相位、偏振和振幅调节方案。设计超薄零折射率光子微结构,突破了非线性光学谐波产生的相位匹配条件,提高非线性谐波生成效率。总之,利用亚波长光子微结构和表面等离激元对光的偏振、振幅、相位等多个维度的自由调控,是目前非常活跃的研究领域。

  利用光子能带调控效应,改善半导体激光器性能的研究,正在引起人们的关注。如利用光子晶体的带隙在波长尺度强烈局域光子,增强光与物质的相互作用,提高自发辐射因子,实现低阈值微腔激光器,用于片上光互连等。光子晶体能带带边的高对称点具有低群速度特性,能够形成横向大面积振荡,实现单模、高光束质量、大功率面发射激光输出。引入光子晶体调控边发射半导体激光器的模式振荡,提高了边发射半导体激光器光束质量和腔面灾变损伤阈值。

  3. 基于光子带隙人工微结构材料的新器件研制

  由于人工带隙材料所呈现出的奇异行为,如何在此基础上研制各种波段(从微波到可见光)的新器件引起人们极大兴趣。将人工带隙材料应用于新型天线就是一个典型的例子。人工带隙材料的引入可使得天线的设计自由度大大增加,带来一些传统材料所不具备的特性。目前有应用前景的有人工磁表面低高度平面天线,零相移环形天线,零折射率高增益天线,复合左右手材料传输线/漏波天线,超材料低互耦MIMO天线等。

  由于人工带隙材料存在带宽窄、损耗高、体积大、成本高等原因,在工业界的大范围应用还有许多困难。如何研制出真正实用的新器件,是光子人工带隙材料领域面临的巨大挑战。

  三、我国发展现状与水平

  我国科研机构对光子人工带隙材料的研究非常重视。从“十一五”到“十二五”的十年期间,围绕光子带隙调控及新现象、新效应,科技部量子调控重大研究计划展开研究布局,启动了一批相关项目。在这些项目的支持下,国内在光子人工带隙材料领域取得了若干重要研究成果,在一些重要方向处于国际领先地位。

  在光子微结构和集成回路的制备与表征方面,中科院物理所、半导体所、上海光机所、南开大学、北京大学、中山大学等研究组,发展各种实验方法和技术,制备出具有高品质因子、局域场增强、频率可调的光子晶体微结构,在此基础上对相关调控效应展开研究。物理所在硅基二维平板光子晶体上,研制了基于光子晶体异质结的线性、无源、被动、超小型的全光二极管及隔离器;半导体所设计和研制了光泵和电泵1550nm波段,超快耦合腔光子晶体激光器,用光泵超快耦合腔激光器,实现室温光泵激射;南开大学提出少层超表面的概念,实现了宽带、高效和偏振可控的近完美异常折射,产生了各种微区矢量光束。

  在调控机理与新现象、新效应研究方面,南京大学研究组利用非线性人工微结构,在国际上率先实现了多通道双光子纠缠调控,利用渐变人工微结构调控表面等离激元实现奇异光传播现象;同济大学研究组构建了手征光子晶体的能带理论框架,并在此基础上,实现了负折射现象和宽带偏振调控效应;南开大学研究组应用复合超材料、杂化超材料和石墨烯超材料,实现了完美吸收、表面等离激元诱导透明、偏振近场和远场调控、非对易透射等;复旦大学研究组针对honeycomb结构二维磁性光子晶体,发现zigzag边的电磁边缘态,因其频率处在光椎之外,具有自传播特性。

  在基于光子微结构的量子现象及特殊物理现象模拟方面,南京大学研究组利用PT-对称性破缺原理,制备出单向传输的硅基光子芯片,在光子微结构芯片上,模拟了黑洞和引力透镜现象;复旦大学研究组首次发现非晶金刚石结构中的赝带隙结构,实现了无虹彩非晶光子晶体结构色材料的人工制备;同济大学研究组利用只含损耗的宇称-时间对称特异材料,实现了相干完美吸收现象,利用平台模拟了凝聚态和原子光学系统的奇异量子现象,如光子拓扑激发态、光子狄拉克点附近的几何相位,以及谷物理带来的光子赝磁场和分光效应等。

  在国防高技术领域的应用研究方面,中科院半导体所研究组基于光子晶体带隙调控原理,研制了用于高速摄影系统的激光器;复旦大学研究组基于人工微结构材料的特殊调控原理,研制了具有超大空间扫描角度天线阵列;同济大学研究组基于人工微结构材料的电磁隧穿现象,研制了空间飞行器新型天线罩;同济大学研究组基于人工微结构闪烁材料,研制了新型高能辐射探测器。

  四、我国进一步研究重点与对策建议

  1. 研究重点

  对比国外研究,我国在光子微结构的关键研究方向上均有布局,取得了一批有特色的基础研究成果,形成了一支活跃在国际前沿领域的研究队伍,若干基础研究成果为我国国防重大需求提供了新原理支撑,为我国率先将光子微结构基础研究成果迅速应用到国防高技术领域提供了机遇。建议进一步研究重点如下:

  在能带和带隙调控研究方面,希望能加强人工带隙的理论基础,探索新的带隙材料和新机理。建议在以下方面加强研究:具有深亚波长特征的特殊光子带隙;辐射场干涉机制诱导的特殊光子束缚态及其对光子输运行为的影响;等频率面拓扑结构转变诱导的新奇现象及其在外场调控下的演化规律;介观光子系统特殊的拓扑性质和其产生的新颖光学效应;探索磁性材料及其微结构中自旋波量子与高品质因子微波腔的强耦合,为调控自旋波量子提供新的方法与技术;探索超导微纳结构的宏观量子态与高品质因子微波腔的强耦合。

  在光子集成及量子芯片研究方面,希望能在量子器件的集成方法和集成度达到国际领先水平,构筑可片上集成的新型光子器件。建议在以下方面加强研究:混合量子芯片,在微纳结构光子芯片上实现量子光源、量子存储、光电调控和量子检测的集成,实现量子行走与量子搜索、量子模拟、量子传感、中小规模量子计算等应用;时间反演对称性破缺结构等对量子态的演化和传输的影响;探索量子相干性、量子关联在复杂结构中的演化;基于微纳结构光子芯片,模拟诸如布洛赫振荡、无质量狄拉克费米子等凝聚态物理过程,并将相关规律拓展应用于与量子行走和量子搜索相关的量子算法中;揭示表面等离激元在量子态的保持、传输和逻辑功能特性的实现等方面的影响,发展介观尺度光子学;探索纳米尺度下表面等离激元的量子特征及其在高灵敏度信息检测的潜在应用。

  在表面等离激元和亚波长光子结构研究方面,希望探索新型单光子源,发展高信息通量的成像与显示技术和高性能超快纳微光子器件。建议在以下方面加强研究:新型亚波长微纳结构与光子、表面等离激元和相关元激发的相互作用,实现对光子和相关元激发能带结构的调控;探索亚波长人工微纳结构中光电转换、光热转换等新规律和新原理;发展新型超构材料和超构表面,为发展高分辨的光聚焦与成像、光发射与吸收、光路由与波分复用等材料和技术提供新原理。

  2. 对策建议

  量子调控计划的重要战略目标是为国家未来高技术跨越式发展提供新原理支撑。从量子调控计划项目的总体布局上分析,人工带隙材料研究是实现该战略目标的潜在方向之一。建议十三五期间在项目的顶层设计上,引导相关有基础的研究单位和研究团队,将人工带隙材料基础研究与国家重大战略需求结合。

  与国际先进水平相比,我国在半导体量子系统的生长、III-V族半导体微腔的微纳加工和制备、量子系统的精确定位技术、表面等离激元金属微纳结构纳米级水平的精确可控生长和制备等方面还存在一定的差距,有必要强化对这些研究方向的支持。建议加强人工带隙材料制备与表征平台的建设,建立和完善平台运行和管理政策。

  我国在凝聚态系统新奇量子现象,特别是新奇电子量子态基础研究方面在国际上处于领先地位。将新奇电子态延拓到新奇光子态是人工带隙材料研究的大趋势之一。建议顶层设计上,引导人工带隙材料研究与凝聚态新物理研究的交叉结合。

  本报告为科技创新战略研究专项项目“重点科技领域发展热点跟踪研究”(编号:ZLY2015072)研究成果之一。

  本文特约编辑:姜念云