合肥研究院在多孔氧化铝光子晶体研究中取得系列进展

近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所在多孔氧化铝光子晶体的研究中取得系列进展，具体表现在光与物质的相互作用及其光学性质研究方面，相关成果相继发表在Journal of Materials Chemistry C，Scientific Reports，Journal of Physics D: Applied Physics，Annalen der Physik 和Nano Research 等期刊上。

光子晶体(Photonic Crystal)是在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的一类光学材料，与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子晶体能够对特定波长的电磁波进行调制，当光的频率落在光子带隙(Photonic Band Gap)中时，光的传播将被完全禁止。光子晶体是完全依靠其自身结构来实现对光的控制，这在光学器件及未来光子集成方面具有重要意义。因此研究光子晶体中的结构、材料与光子带隙的相互作用是将其应用于新型纳米光子器件、光信息传输和光芯片等领域的基础。

近年来，合肥研究院固体所费广涛课题组致力于多孔氧化铝光子晶体的研究，之前课题组的王彪等人在完整光子晶体的制备、光子带隙的特性研究等方面已经取得了系列进展。近期，课题组的商国亮等人在多孔氧化铝光子晶体中光与物质的相互作用及光学性质方面又进行了深入的研究，取得了系列进展。

图1 多孔氧化铝光子晶体吸附不同浓度乙醇后带隙位置的变化 

图2 多孔氧化铝光子晶体中法诺共振产生的原理

制备出带隙很窄的光子晶体，实现依靠折射率改变来探测的传感器，有望推动传感材料发展。多孔氧化铝光子晶体是通过阳极氧化铝片得到的，在一定的阳极氧化电压作用下，氧化铝孔道在生长方向上直孔和二分叉孔周期性生长，形成直孔层和二分叉孔层的周期结构，因此多孔氧化铝光子晶体是一种纳米尺度周期性的多孔结构。虽然多种结构都能实现光子带隙，但是宽度窄的光子带隙依然很难实现，对于多孔氧化铝光子晶体而言，由于酸性电解液的作用，带隙宽度也通常在几十纳米到几百纳米之间。他们采用补偿电压模式，克服了制备过程中出现的前后结构不均一的困难，制备出具有窄带隙的光子晶体，带隙宽度最小可达几纳米。由于多孔氧化铝光子晶体的这种全介质多孔性结构，他们利用这种光子晶体成功地实现了一种简单的依靠折射率改变的传感器(Mater. Lett. 110，2013, 156-159; J. Mater. Chem. C 1, 2013, 1659-1664; J. Mater. Chem. C 1, 2013, 5285-5291; Chinese J. Chem. Phys. 27, 2014, 121-124)。这种传感方式不同于电信号传感器，光子晶体吸附被探测物时，改变了光子晶体每层的有效介电常数，从而会引起光子带隙位置的改变，通过跟踪光子带隙位置的改变就能得到环境中被探测物量的变化，如果带隙是在可见光范围，整个探测方式就可以完全脱离电信号。相比于电信号探测而言，光信号的探测更加安全可靠，这有望应用于易燃易爆及电致变性等材料的原位探测，使其成为一种具有前景的传感材料。