图1 自然界中的光子晶体及其微观结构。
上世纪五十年代，从明朝定陵出土了一件万历皇帝的“织金孔雀羽团龙妆花纱织成袍料”。经过修复，薄纱上的龙纹金翠交辉，栩栩如生。曹雪芹在《红楼梦》有“勇晴雯夜补孔雀裘”的描写。“织金孔雀羽”、 “孔雀裘”，都具有色彩斑斓、令人赏心悦目的特点。在自然界中，不单单是孔雀的羽毛色彩闪亮并且永不退色，还有很多动物、昆虫甚至是植物也拥有着这样神奇的色彩和功能。例如蝴蝶翅膀的斑斓色彩、鹦鹉漂亮的羽毛、游鱼闪光的鳞片、甲虫美丽的外壳，以及伪装高手变色龙等等，如图1所示。这些都是自然界中的光学超材料—光子晶体的神奇表现。那么什么是光子晶体呢？ 半个世纪前，物理学家已经发现半导体中电子的运动受晶格周期性势场的影响而形成能隙(energygap)，导致电子的色散关系(dispersion relation)呈带状分布，此即众所周知的电子能带结构(electronic band structures)。1987年，E. Yablonovitch [2]及S.John[3]指出类似的现象也存在于光子系统中：在介电系数呈周期性排列的介电材料中，某些波段的电磁波强度会因破坏性干涉而呈指数衰减，无法在系统内传递，相当于在频谱上形成能隙，于是色散关系也具有带状结构，此即所谓的光子能带结构(photonicband structures)。具有光子能带结构的介电物质，就称为光子能隙 (photonic band-gap system，简称PBG)材料，或称为光子晶体(photonic crystals)。光子晶体的很多概念是在半导体理论的基础上提出的，因此，光子晶体又被称为“光半导体”。光子晶体（又称光子禁带材料）的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。1999年，《科学》杂志更是将光子晶体的研究成果列入了当年的十大科技成就之一。随后科学家们围绕着光子禁带以及光子晶体的带边效应，发现了许多新奇的物理现象和潜在应用，光子晶体作为一种新的科学研究领域开始快速发展。
图2(a)一维、二维、三维光子晶体的结构示意图，(b) 典型的光子晶体的光子带隙示意图，(c) 光子禁带对自发辐射的影响：i自由空间中，ii光子晶体中自发辐射被抑制，iii在有缺陷的光子晶体中自发辐射被增强。
光子晶体根据介电材料空间分布的特点，可分为一维（1D）光子晶体、二维（2D）光子晶体和三维（3D）光子晶体，如图2 a所示。光子晶体的介电常数具有空间上的周期性，因而它对光的折射同样有周期性分布，光的色散曲线也呈现出周期性。这种特殊的结构使光子晶体具有光子带隙和光子局域等物理特性，可用增强光和物质的相互作用，如慢光效应、谐振腔共振效应等。
光子晶体最基本的性质就是具有光子禁带，如图2b所示。光子禁带是主要取决于光子晶体的三个因素；1）两种介质的介电常数（折射率）差；2）介质的填充率比；3）晶格结构。介电常数差越大越容易出现光子禁带。光子带隙分为完全光子带隙和不完全光子带隙：完全光子带隙是指一定频率范围内，任何偏振与传播方向的光都被严格禁止传播；不完全光子带隙则只针对某些特定传播方向的光。如果光子的频率落在完全带隙内，则此频率的光在该光子晶体中沿任何方向都不能传播，即完全光子禁带。所以，光子带隙频率范围内的光不能透过光子晶体，而被全部反射。光子晶体可以选择光子的频率，在可见光区就表现为不同的颜色。从光子晶体带隙对光的选择性反射出发，人们发现自然界的很多结构色彩都来源于光子晶体微结构。孔雀羽毛就是其中的代表。孔雀尾羽的眼斑拥有色彩绚丽的色彩，是来自于孔雀羽毛上的小羽支，小羽支有多种颜色，包括蓝，绿，黄和棕色。利用电子显微镜观察，可以看到四种小羽支的微结构都是由黑色素棒构成的二维光子晶体结构。不同颜色小羽支的光子晶体结构的晶格形状、晶格常数和周期不同。正是这些结构参数的变化，形成了孔雀多彩的色彩，并被用于织造美轮美奂的华丽服装。
虽然只有完美的光子晶体才可能拥有完全带隙，但就应用的角色来看，科学家对不完美的光子晶体更感兴趣，这便是光子晶体的另一个重要特性，光子局域。研究发现，在二维或三维的光子晶体中加入或移去一些介电物质便可以产生缺陷(defect)。与半导体的情况类似，光子系统的缺陷也多半落在能隙内，这使原来为“禁区”的能隙出现了“一线生机”。对于一个缺陷态而言，由于缺陷四周都是光子晶体形成的“禁区”，电磁波在空间分布上只能局限在缺陷附近。因此一个点状缺陷(pointdefect)相当于一个微空腔(micro-cavity) ，这种谐振腔可以改变原子的自发辐射；而一个线状缺陷，可用于新型波导。光子晶体波导具有优良的弯曲效应：普通的光纤波导在光波拐弯时，全内反射条件不再有效，会损失部分光波能量，使传输效率降低。而光子晶体波导可以利用不同方向缺陷模式的共振原理，实现无弯曲损耗光波导，也不会出现延迟等影响数据传输率。
图3 光子晶体的不同应用
光子晶体对光具有独特的反射、局域、传导、分束、耦合、调制、慢光等操纵能力，使其成为微／纳光电集成的重要材料之一。相关潜在应用也纷纷被提出和研究，涉及到光通信、太赫兹器件、光子芯片、太阳能电池、生物化学传感和隐身技术等。例如性能稳定的光子晶体反射镜，由于光子晶体光子频率禁带范围内不允许光子通过，当一束频率在禁带范围内的光入射到光子晶体时将被全反射，利用这一原理可以制备高品质的波长选择性反射镜。微谐振腔的制备对光集成器件具有重要意义，但由于其尺寸微小，传统方法制造非常困难，而且传统的金属谐振腔的损耗很大。而具有点缺陷的光子晶体能用于体积小而品质因数很高的谐振腔，从而可以制备微米级的低阈值激光器。如果将发光二极管的发光中心放置在光子晶体中，并使该发光中心的自发辐射频率与该光子晶体的光子禁带重合，则发出的光不能进入包围它的光子晶体中，而只能沿着设计的特定的方向传导出去，大大提高了光的取出率，从而可以制备高效率发光二极管。实验表明，用光子晶体制备的发光二极管的效率能够成倍提高。光子晶体超棱镜分光的能力也会比常规棱镜提高几个数量级。非线性光子晶体能够实现超快全光开关，通过控制微腔的共振频率和泵浦光的功率，可以构筑各种光集成器件和全光逻辑门。虽然目前实际的应用还有很大挑战，但随着科技的快速发展，或许在不久的将，“集成光路”(integratedoptical circuits) 就会变为现实。
图4 光子晶体的制备。(a) 具有圆柱形面心立方体结构的光子晶体加工示意图, (b)逐层叠加 (layer-by-layer) 的方法，将一维等距排列的铝棒逐层堆放, (c)片熔技术和激光辅助精确校准技术相结合的逐层叠加，(d)胶体光子晶体膜及其制备方法。
光子晶体的特殊性能和广泛应用吸引了众多的科学家从事相关研究，而光子晶体的制备是前提和基础。近年来，人们发展了许多制备光子晶体的方法，如：精密机械加工法、半导体微纳米制造法、胶体晶体自组装法、反蛋白石结构法等等，如图4所示。通过控制光子晶体中材料的介电常数和周期性结构，可以制备出带不同带隙的光子晶体。1991 年，Yablonovitch研究小组在一块高折射率介质材料的底板平面上分布着呈三角点阵的空气洞，制造出世界上第一个在微波波段具有完全光子带隙的光子晶体结构，如图 4a 所示。Ho等提出如图4b所示的木堆结构（woodpile structure），即用介电柱的多层堆积形成有三维完全带隙的介电结构。Özbay等用铝棒堆积成这种woodpile结构，将一维等距排列的铝棒逐层堆放，层与层之间棒取向垂直，次相邻层的棒相对于第一层平移1/2 棒间距，以四层为一个重复单元，组成面心四方结构如图 4b 所示，在12～14GHz频率处有完全光子带隙。2000 年，Noda等用片熔技术和激光辅助精确校准技术，利用逐层叠加，通过进一步的降低片熔温度、控制浸蚀程度，得到在1.3~1.55μm 具有完全带隙的woodpile结构光子晶体，这被认为是光子晶体制备的转折点，如图 4c 所示。同时，激光技术的成熟带来了全息成像技术和双光子技术的迅速发展，全息成像刻蚀法和双光子聚合可以制备规律性很好的周期性结构，成为光子晶体制造的有效方法。科学家们还提出，采用“自下而上”（bottom-up）的方法，利用胶体纳米颗粒有序组装制备胶体光子晶体材料。与“自上而下”（top-down）的物理加工法相比，“自下而上”（bottom-up）的自组装方法，制备简单、成本低廉。制备得到的胶体光子晶体具有简单、灵活的组装单元，易于调控的纳米结构和特殊的光子禁带性质，成为光子晶体领域研究的热点之一。胶体光子晶体可以利用喷涂、刮涂、打印等技术快速、简便、低成本、大面积地制备，并可实现图案化和功能化，能够用于制备绚丽多彩的光子晶体涂层、可擦写的光子晶体纸、裸眼识别的色度传感器，以及高灵敏光子晶体传感芯片等，大大促进了光子晶体的实用化进程。同时，胶体光子晶体也可以作为模板，往其空隙中填充高折射率材料如半导体或金属纳米粒子、染料、复合颗粒等，提高折射率比值，经过蚀刻或煅烧除去模板，可形成材料种类非常丰富反蛋白石结构的光子晶体。
图5 光子晶体集成芯片。
光子晶体使人类操控光子的梦想变得更加可行。当人们能够自由地操纵和控制光的传播和发射，就可以按需求来设计和制造光子器件。在此基础上发展的光子计算机也将成为可能，其运行速度和效率将比现在的电子计算机提高几个数量级。二十世纪基于控制电子运动行为发展起来的半导体技术导致了电子信息产业的诞生和发展，极大地改变了人类的生活和工作方式。而光子晶体的出现和发展，让科学家们预言在二十一世纪又将掀起一场新的光子技术革命，将为人类的未来开辟了一片新的星空。参考文献从略。
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内容简介
我国高新技术产业发展面临的“卡脖子”问题，很多就卡在材料方面。新材料产业是制造强国的基础，是高新技术产业发展的基石和先导。为了普及材料知识，吸引青少年投身于材料研究，促使我国关键材料“卡脖子”问题尽快解决，中国材料研究学会特意组织了一批院士和材料专家，甄选部分对我国发展至关重要的前沿新材料进行介绍。《走近前沿新材料（1）/前沿科学普及丛书·新材料科普丛书》涵盖了20种新的前沿新材料领域新名词，主要包括信息仿生材料、纳米材料、医用材料、能源材料。所选内容既有我国已经取得的一批性技术成果，也努力将前沿材料、先进材料优势的智力资源不断引入国内，助力推动我国材料研究和产业快速发展。每一种材料的科普内容独立成文，深入浅出地阐释了新材料的源起、范畴、定义和应用领域，并配有引人入胜的小故事和原创图片，让广大读者特别是中小学生更好地学习和了解前沿新材料。
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