合肥研究院在多孔氧化铝光子晶体研究中取得系列进展

多孔氧化铝光子晶体中的毛细凝聚及光学特性为原位检测存在光损失突变类的转变过程提供了一种新的可行性方案。人们将内径很细的管子叫“毛细管”，粉笔吸墨水，毛巾吸汗，植物的根、茎、叶中传送养料等都是毛细管的毛细现象。毛细凝聚是毛细管的另一个非常重要的特征，它是由于毛细管壁对其中的气体分子的空间局限作用，使得分子间的相互作用增加，造成管中的气液平衡的蒸汽压要小于常规环境中的蒸汽压，物质由气体到液体转变时所需的浓度降低。换句话说，即是由于毛细管非常细，气体会优先在毛细管中发生凝聚形成液体。多孔氧化铝光子晶体作为一种纳米尺度的多孔材料，其中应该同样存在毛细凝聚现象，同时，由于入射光截止带的存在，毛细凝聚现象将会对入射光截止带产生影响。他们研究了多孔氧化铝光子晶体在吸附有机气体时由毛细凝聚导致的一系列光学现象。研究发现，由于毛细凝聚作用，有机气体被吸附到一定程度时会由气相转变成液相，这种相变引起了光损失的转变，在光子带隙上表现为带底透过率由开始的逐步上升转变为下降。通过模拟计算进一步证实，这一转变的拐点与有机气体的气液相变密切相关(Nano Res. DOI: 10.1007/s12274-015-0949-x)。毛细凝聚现象一直以来备受关注，应用范围也十分广泛，例如比表面积分析仪、有机物质萃取分离等。这一研究将为探测相转变及过程，研究材料的物理性质以及拓展材料应用提供一种可能的新途径，也为原位检测存在光损失突变类的转变过程等提供一种新的可行性方案。

在多孔氧化铝光子晶体中引入了缺陷模式，为制备新型的光子器件提供了基础。类似于半导体中的缺陷能级能够改变半导体的某些性质那样，在完整的光子晶体中引入缺陷的话，也会产生缺陷态，这种缺陷态将给人们更广阔的操纵光的空间。简单而言，这种光缺陷模式就像是在一堵墙上打开一扇窗户，光可以通过窗户照到墙的另一边。在光子晶体中，这种缺陷模式是通过在周期结构中加入另外一层物质，从而打开一扇通光的“窗户”。然而，由于材料制备的限制，现阶段可控制备缺陷模式仍然比较困难。基于多孔氧化铝光子晶体的内部结构与施加的氧化电压直接相关，他们通过巧妙地设计阳极氧化过程中的氧化电压，直接原位地在光子晶体的周期性结构中引入了缺陷层，在多孔氧化铝光子晶体中获得了缺陷模式。通过研究发现，缺陷峰与缺陷层结构之间存在着周期性的对应关系，缺陷峰位置随入射角增加会表现出非线性蓝移(J. Phys. D Appl. Phys. 2015, 48, 435304)。这种在光子晶体中引入缺陷峰的方法比其他方法更加简单可靠，将能够更方便地应用于光波导、光学微腔等方面，并且为下一步研究利用缺陷模式制备新型的光子器件提供了一定的基础。

该系列研究有利于进一步理解多孔氧化铝光子晶体中材料、结构与光学性质之间的关系以及多孔氧化铝光子晶体中光与物质的相互作用，对未来开发基于多孔铝光子晶体的新型光学器件及应用于光学集成等方面具有一定的意义。

该系列工作得到国家科技部纳米专项及国家自然科学基金等项目的支持。

图5 介质的光吸收对多孔氧化铝光子晶体光子带隙的影响 

图6 模拟计算的缺陷峰与缺陷层厚度的关系