一種介電梯度陶瓷基光子晶體的製作方法
2023-05-15 04:31:21
專利名稱：一種介電梯度陶瓷基光子晶體的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種介電梯度陶瓷基光子晶體。具體是指通過控制不同固相含量的同種陶瓷材料相互耦合而使其介電常數呈梯度分布的光子晶體。
背景技術：
光子晶體是指具有光子帶隙特性的人工周期性電介質結構。所謂的光子帶隙是指某一頻率範圍的波不能在此周期性結構中傳播，即這種結構本身存在「禁帶」。這一概念最初在光學領域提出的，現在它的研究範圍已擴展到微波與聲波波段。由於這種結構的周期尺寸與「禁帶」的中心頻率對應的波長可比擬，所以這種結構在微波波段比在光波波段更容易實現。光子晶體的引入為微波領域提供了新的研究方向。光子晶體完全依靠自身結構就可實現帶阻濾波，且結構比較簡單，在微波電路、微波天線等方面均具有廣闊的應用前景， 所以從事光子晶體的研究具有重要的意義。光子帶隙的寬度和位置主要與晶格結構、兩種介質的介電常數之差、介質的填充率有關。另外，介質的連通性、介質的形狀也對禁帶的出現有一定的影響。三維光子晶體的製備具有相當大的難度，尤其是三維複雜結構陶瓷基光子晶體的製備更是一項巨大的挑戰。Hiromi Mori等的文章「三維陶瓷光子晶體的製備及其電磁性質」(Joural of the European Ceramics Society，洸期，2006年，2195-2198 頁)成功了製備了純二氧化鈦陶瓷三維金剛石結構光子晶體；Kirihara等的文章「通過改變電磁晶體的周期控制電磁波的傳輸」(Solid State Communications，124 期，2002 年，1；35_139 頁)研究了將金剛石結構周期拉伸對光子晶體帶隙的影響，實質是通過改變光子晶體結構的填充率來控制電磁帶隙， 拉伸後得到了更寬帶隙的光子晶體。Xian-Zi Dong等的文章「梯度準金剛石結構光子晶體的帶隙」(Applied Physics Letters，92 期，231103-1—231103-3，2008 年)成功運用多光束光聚納米製備技術製備了三維準金剛石結構光子晶體，實現了使用低介電材料達到拓寬帶隙的作用。Kirihara和Xian-Zi Dong的研究本質上都是利用結構變化來改變介電常數的分布，從而加強了布拉格散射，達到增強帶隙的目的。然而在同一光子晶體內部通過控制多種固相含量的同種陶瓷耦合來改變光子晶體內部的介電分布，製備超寬帶隙三維光子晶體的研究還未見有報導。
發明內容
本發明的目的在於提供一種介電梯度陶瓷基光子晶體。本發明的技術方案是這樣實現的周期性地層疊了由不同固相含量的同種陶瓷形成介電梯度分布的多個層，具體包括順序逐層疊加和周期性交叉兩種形式順序逐層疊加的介電梯度光子晶體是指在具有周期性結構的第一層、第二層、第三層……第η層分別填充不同介電常數的同種陶瓷材料，其中介電常數是依次增加或依次減小；
周期性交叉的介電梯度光子晶體是指在具有周期性結構的第一層填充第一種介電常數的陶瓷材料，第二層填充第二種介電常數的同種陶瓷材料，然後在第三層再填充第一種介電常數的陶瓷材料，第四層填充第二種介電常數的陶瓷材料。晶體結構包括一維、二維、三維結構。根據本發明的介電梯度陶瓷基光子晶體周期性的包含了兩種或兩種以上介電常數的陶瓷材料。陶瓷的介電常數與其固相含量成正比，固相含量越大，其介電常數越大。本發明通過控制不同固相含量的同種陶瓷耦合使其介電常數的梯度分別。具體是指將不同固相含量的同種陶瓷的漿料(對應介電常數不同)依次分層填充在設計好的光子晶體結構中，形成通過控制陶瓷漿料固相含量實現介電常數梯度分布的光子晶體，所製備的光子晶體包括順序逐層疊加和周期性交叉兩種形式。與傳統的陶瓷基光子晶體相比，本發明中的介電梯度光子晶體通過控制同種陶瓷漿料的固相含量形成介電梯度分布的光子晶體，增強了介電常數變化，加強了布拉格散射， 得到比均勻固相含量陶瓷基光子晶體更寬的帶隙，同時實現對帶隙寬度和中心頻率位置的可控性。通過下面附圖和具體實施方式
的描述，將更清晰的展示本發明的特徵。
圖1是三維結構順序逐層疊加介電梯度光子晶體示意2是三維結構周期性交叉介電梯度光子晶體示意3是二維柱狀順序逐層疊加介電梯度光子晶體示意圖
具體實施例方式圖1是三維結構順序逐層疊加介電梯度光子晶體示意圖。選取氧化鋁陶瓷作為介質材料。利用快速成型製備三維光子晶體模具，然後分別製備氧化鋁固相含量分別為50%， 55%和60%三種陶瓷漿料，介電常數分別為ει、ε2、ε3。圖1中所示三維結構第一周期層注入固相含量為50% (介電常數為S1)的氧化鋁漿料，在固相含量50%的氧化鋁漿料即將固化的時候往第二周期層注入固相含量(介電常數ε2)的氧化鋁漿料，在固相含量 55%的氧化鋁漿料快要固化的時候向第三周期層注入固相含量60% (介電常數ε3)的氧化鋁漿料，可製備如附圖1包含同種陶瓷材料但介電常數呈梯度分布(固相含量不同)的光子晶體。所製備的光子晶體經過乾燥、脫脂和燒結處理後得到介電梯度純陶瓷光子晶體。圖2是三維結構周期性交叉介電梯度光子晶體示意圖。選取二氧化鈦陶瓷作為介質材料。利用快速成型製備三維光子晶體模具，然後分別製備二氧化鈦固相含量分別為 50%，55%兩種陶瓷漿料，介電常數分別為￡ι、ε2。每層的相鄰的長柱體分別注入固相含量50% (介電常數為S1)和固相含量55% (介電常數為ε2)的氧化鈦漿料，上層對應的長柱體和下層對應的長柱體相互連通。所製備的光子晶體經過乾燥、脫脂和燒結處理後得到兩種介電梯度交叉分布純陶瓷光子晶體。圖3是二維柱狀順序逐層疊加介電梯度光子晶體示意圖。選取氧化鋁陶瓷作為介質材料。利用快速成型製備三維光子晶體模具，然後分別製備氧化鋁固相含量分別為50%， 53^,56^,59%四種陶瓷漿料，介電常數分別為￡ι、ε2、ε3、ε 4，分別注入每層柱體中，形成四種固相含量氧化鋁陶瓷梯度分布的二維柱狀光子晶體，所製備的光子晶體經過乾燥、 脫脂和燒結處理後得到二維柱狀介電梯度純陶瓷光子晶體。
權利要求
1. 一種介電梯度陶瓷基光子晶體，其特徵在於，周期性地層疊了由不同固相含量的同種陶瓷形成介電梯度分布的多個層，具體包括順序逐層疊加和周期性交叉兩種形式順序逐層疊加的介電梯度光子晶體是指在具有周期性結構的第一層、第二層、第三層……第η層分別填充不同介電常數的同種陶瓷材料，其中介電常數是依次增加或依次減周期性交叉的介電梯度光子晶體是指在具有周期性結構的第一層填充第一種介電常數的陶瓷材料，第二層填充第二種介電常數的同種陶瓷材料，然後在第三層再填充第一種介電常數的陶瓷材料，第四層填充第二種介電常數的陶瓷材料。
2.根據權利要求1所述的介電梯度光子晶體，其特徵在於，晶體結構包括一維、二維、三維結構。
全文摘要
本發明公開一種介電梯度陶瓷基光子晶體，包含了兩種或兩種以上介電常數的陶瓷材料。本發明通過控制不同固相含量的同種陶瓷耦合實現介電常數梯度。具體是指將同種陶瓷材料不同固相含量的陶瓷漿料(對應介電常數不同)依次分層填充在設計好的光子晶體結構中，形成通過控制陶瓷漿料固相含量實現介電常數梯度分布的光子晶體。具體包括順序逐層疊加和周期性交叉兩種形式。本發明中的介電梯度光子晶體通過控制同種陶瓷漿料的固相含量形成介電梯度分布的光子晶體，增強了介電常數變化，加強了布拉格散射，得到比均勻固相含量陶瓷基光子晶體更寬的帶隙，同時實現對帶隙寬度和中心頻率位置的可控性。
文檔編號C30B29/68GK102560679SQ20121005497
公開日2012年7月11日 申請日期2012年3月5日 優先權日2012年3月5日
發明者李滌塵, 楊改, 梁慶宣 申請人:西安交通大學