光子晶體材料
關注創建者：klapp 創建時間：2019-01-09
光子晶體材料的視頻教程
019 - FDTD光子晶體微腔（含演示，66元）
包含的文件截圖（手機端可能無法顯示圖片，請在電腦端查看）： 詳細描述（手機端可能無法顯示圖片，請在電腦端查看）： 如上圖所示，研究平板空氣孔二維光子晶體的L3微腔。 眾所周知，光子晶體微腔具有很高的Q值，本文通過優化微腔周圍三個空氣孔的位置，能進一步將Q值提高了20倍，實現了高達1000000的Q值。
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004 - COMSOL一維光子晶體微腔（含講解視頻）
004 - COMSOL一維光子晶體微腔（含講解，66元） ? 基本介紹： ·? 主要內容：重復碩士論文《一維光子晶體波導與微腔的控光特性及傳感應用研究（作者：楊玉潔）》中的圖3-2b、圖3-4a； ·??基于COMSOL頻域求解，使用的軟件版本為COMSOL 5.3 (5.3.0.223)； ·??計算所需的內存：8 GB；高精度需要128 GB； ·??涉及的內容：在App開發器中錄制和編寫模型方法
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001 - COMSOL光子晶體波導分束器（含講解）
001 - COMSOL光子晶體波導分束器（含講解，66元） 基本介紹： ·? 主要內容：對一個典型的T型光子晶體分束器做了模擬； ·??基于COMSOL頻域求解，使用的軟件版本為COMSOL 5.3 (5.3.0.223)； ·??計算所需的內存：8 GB； ·??涉及的內容：自定義變量、組件耦合、完美匹配層、散射邊界條件、自定義網格 等； ·??繪制了：場分布和透反射率；
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光子晶體材料的實例教程
光子晶體是指由不同介電材料周期性排列而產生的光子帶隙結構，具有調控光傳播的作用。當可見光通過光子晶體時，特定頻率的光會受到光子帶隙的調制，導致部分可見光不能通過該材料直接被反射，從而使光子晶體產生特定的結構色。結構色在自然界中廣泛存在，例如蛋白石、孔雀的羽毛、蝴蝶或甲蟲的翅膀等都具有周期性排列的光子晶體結構從而展現出鮮艷的結構色。
將光子晶體與聚合物彈性體結合可得到光子晶體彈性體，可用于可視化的力學傳感器等領域。然而，如何提高光子晶體彈性體材料的使用性能，同時又避免不同觀測角度帶來的色彩不一致的問題仍然是該領域的一大挑戰。針對上述問題，華中科技大學化學與化工學院朱錦濤、張連斌團隊設計制備了一種基于金屬超分子聚合物的可自愈合、具有無角度依賴結構色的光子晶體彈性體材料，克服了光子晶體材料機械損傷以及不同觀測角度色彩不一致的局限。相關成果近期發表在《先進材料》（Advanced Materials）雜志上。該論文的通訊作者是朱錦濤教授和張連斌教授，論文第一作者為博士后譚海英。
圖 1基于超分子聚合物的光子晶體彈性體及其無角度依賴的結構色彩。
作者利用聚二甲基硅氧烷與稀土金屬離子形成的超分子聚合物作為基體材料，將其與單分散的二氧化硅納米粒子復合，通過噴涂或快速溶劑揮發的方法誘導二氧化硅納米粒子在超分子聚合物中自組裝形成具有短程有序結構的光子晶體材料，該材料展現出鮮艷的結構色。改變納米粒子尺寸或納米粒子在聚合物中的含量可調控其結構色彩。該材料還表現出無角度依賴的結構色，即從不同的角度觀察其顏色不發生變化（如圖1所示）。更重要的是，該光子晶體彈性體還表現出類似于變色龍皮膚的變色性能，在拉伸或壓縮等外力作用下其結構色可發生改變（圖2），外力釋放后該材料又能恢復到之前的結構色，因此可用于可視化應力傳感領域。
展開 驅動材料因能用于智能機器人、微型生物動態監測等領域而被廣泛關注。自然界中比如小麥、松果等很多植物種子的脫落過程就是受濕度變化誘導不均質的體積變化引起。傳統驅動材料多是將驅動層和支撐層連接在一起，基于驅動層在外界作用下的體積變化引起驅動。但雙層材料驅動器因其雙層結構間粘附力差在多次驅動過程中易分離等問題很難多次重復使用，為解決該問題，單一化學組成梯度型驅動材料應運而生。
江雷團隊在具有超浸潤性光子晶體的制備及應用方面取得系列進展。在此前的工作中，該團隊利用所制備的單一材料聚離子液體反蛋白石光子晶體，基于其從表面朝內部的梯度的溶劑去浸潤過程實現了驅動現象，光子晶體膜發生卷曲（Chem. Commun., 2016, 52, 5924）。但所制備的光子晶體驅動性能較差，很難滿足應用需求。隨后通過將液晶單體過度滲透到膠體晶體模板中并隨后進行光聚合，制備了具有連續彎曲/去彎曲行為的溶劑響應驅動器(Soft Matter, 2018, 14, 5547)。
近期，理化所光子晶體驅動材料研究又取得新進展，江雷團隊研究員王京霞與湖南師范大學教授陳波合作，通過梯度填充法制備了一種Janus 型聚（離子液體-甲基丙烯酸甲酯）共聚物反蛋白石光子晶體膜（圖1），該膜上表面聚集親水的聚離子液體，呈親水性，而下表面富集疏水的聚甲基丙烯酸甲酯，呈疏水性。所制備樣品兩面的不同性能主要是由于光照聚合過程中離子液體和甲基丙烯酸甲酯不同的聚合行為而造成的相分離，導致其化學組成沿薄膜厚度方向的梯度分布。所制備薄膜的Janus 性使之遇水蒸氣后具有明顯的定向彎曲行為，在4s內彎曲角度接近1440°，并伴有亮麗的結構色變化。
圖1. 所制備的Janus 型光子晶體膜及封面圖片
薄膜的驅動行為可以通過薄膜的化學組成、孔洞大小及溶劑種類來調節。
展開 光子晶體是一類在光學尺度上具有周期性介電結構的人工有序微結構。與半導體晶體對電子的控制類似，光子晶體能夠對光子的存儲和傳播進行有效地控制。而且，由于光子之間沒有相互作用，其對光子可以實現比電子更精確的控制，從而進一步提升芯片的性能。這就使得光子晶體材料在光通信、量子計算、光電子集成等領域的應用前景不可估量。全空間禁帶三維光子晶體的獲得是諸多應用得以實現的前提。“自下而上”的膠體粒子自組裝為實現全空間禁帶三維光子晶體制備提供了重要途徑。然而，如何通過簡單有效的膠體粒子自組裝策略實現三維光子晶體的結構設計與性能調控，仍是目前國際光子晶體領域極具挑戰性的課題之一。
已有光子晶體理論預測結果表明，全空間禁帶三維光子晶體通常具有低配位的非緊密堆積結構，如金剛石（diamond）和燒綠石（pyrochlore）晶格等。但是，這些三維低配位晶格在熱力學上往往是不穩定的，由各向同性球形膠體粒子直接組裝是難以實現的。通過在膠體粒子表面修飾具有選擇性結合能力的聚合物 “補丁”獲得“人工原子”，進而利用聚合物“補丁”之間的各向異性相互作用誘導膠體粒子組裝為實現三維低配位晶體結構提供了可行性。目前，基于具有特殊補丁數目、補丁排列方式和形狀的多補丁膠體粒子，理論模擬已經預測了金剛石和燒綠石等非緊密堆積晶格。但是，復雜的多補丁膠體粒子的實驗制備難度和成本同樣是非常大的。如何利用實驗上簡單易得的補丁膠體粒子自組裝構筑三維低配位晶體結構是實現三維膠體光子晶體材料需要解決的核心問題。
隨著聚合方法學的發展，基于超支化聚合物、聚合物膠束、聚合物接枝納米粒子等體系，實驗上已經能夠制備兩面神和補丁聚合物膠體粒子。
展開 這種結構的材料又被稱為光子晶體。師法自然以自組裝為手段，構筑人造有序結構光子晶體引起廣泛關注。然而，由于組裝有序微結構材料過程中受到外界環境諸因素影響，致使光子晶體膜易于產生咖啡環及開裂現象，嚴重阻礙了大面積膠體光子晶體膜的構筑，成為此領域極富挑戰的課題之一。
近日，南京工業大學化工學院及材料化學工程國家重點實驗室陳蘇教授實驗室在國家自然科學基金重點項目（21736006）和國家重點研發計劃(2016YFB0401700)、江蘇省高校優勢學科建設工程、材料化學工程國家重點實驗室基金的支持下，發展了一種膠體光子晶體成膜的新方法，解決了膠體乳液成膜困難、無法大面積施工的問題。該研究成果以“Large-scale colloidal films with robust structural colors”為題發表在國際材料頂級期刊《Materials Horizons》（Jing Zhang, Zhijie Zhu, Ziyi Yu, Luting Ling, Cai-Feng Wang* and Su Chen*， Mater. Horiz., 2018, DOI: 10.1039/c8mh00248g）上。
研究者受到牛奶加熱表面易產生“牛奶皮效應”的啟發，通過對液滴組成以及成膜條件的精確控制，巧妙地在膠體粒子組裝過程中引入一層“膠體皮”，很好地解決了由于非均相體系不均勻揮發導致的咖啡環效應。基于這一理論，研究者還實現了結構色的全光譜打印，對功能材料圖案化、高性能器件制備及3D打印、多彩光子晶體墨水創制等具有重要意義。同時，此方法又可以借助輥涂、噴涂手段分別可實施結構色的大面積涂覆與膠體粒子的大面積組裝，成功制備出90 × 70 cm的膠體光子晶體膜，并將其用于LED背光源顯示器增亮。
展開 【摘要】
使用形狀記憶光子晶體制備的響應材料在可重寫光子器件、安全特征和光學涂層中具有潛在的應用。最近，
英屬哥倫比亞大學
Mark J. MacLachlan
教授
團隊
通過將
手性向列纖維素納米晶體
(CNC) 嵌入聚丙烯酸酯基質中，形狀記憶光子晶體熱塑性塑料 (CNC-SMP) 可以可逆地捕獲不同的顏色狀態。
在該系統中，溫度用于對形狀記憶響應進行編程，而壓力用于壓縮 CNC 手性向列組織的螺距。通過增加施加的力（≈140-230 N），結構顏色可以從紅色調整為藍色。然后，根據需要，CNC-SMP 可以通過將其加熱到玻璃化轉變溫度以上來恢復到其原始狀態。該循環可以執行 15 次以
上，而不會損失任何形狀記憶行為或樣品的機械退化。此外，通過使用帶圖案的基板按壓樣品，可以將多色讀數編程到手性向列型
CNC-SMP 中，而 CNC-SMP 的玻璃化轉變溫度可以通過改變使用的單體組成在 90 °C 范圍內進行調整制備聚丙烯酸酯基質。
相關論文以題
為
Shape-Memory Photonic Thermoplastics from Cellulose Nanocrystals
發表在《
A
dvanced Functional Materials
》上。
【主圖導讀】
圖1
手性向列
CNC-SMP 的順序編程和恢復的示意圖。
展開 
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JCMsuite布局描述提供了許多設置復雜幾何圖形的方法。例如，在多核光子晶體光纖示例中，我們使用晶格副本來創建固體核光子晶體光纖的空氣孔的排列。然而，在某些應用中，可能需要描述幾何圖形，這些圖形不能用簡單的圓、平行四邊形等表示，或者類似物體的復雜陣列非周期排列在規則網格中，需要晶格復制來實現。在這種情況下，通常需要用任意邊界曲線來描述幾何對象，即一般多邊形。這就是本例的情況，其中光子晶體包層的內部孔和中心孔形成復雜的形狀
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在激光技術的發展歷程中，如何實現高亮度、高穩定性的光束輸出一直是科研人員不懈探索的目標。近日，美國伊利諾伊大學香檳分校的研究團隊在《IEEE PHOTONICS JOURNAL》上發表的一項研究，為這一領域帶來了突破性進展。他們開發的弱反導雙腔光子晶體垂直腔面發射激光器（VCSEL）陣列，通過創新性的結構設計和電流耦合機制，實現了超模式激光發射的大幅穩定性提升，為高亮度光應用開辟了新路徑。
激光亮度的挑戰與突破
連續體中的束縛態(BIC)由于其非輻射的特點已被證明是相關的在動量空間中具有拓撲電荷和渦旋極化奇點。對于常規對稱的光子晶體板中，BIC被線極化遠場所包圍，不利于高容量和多功能集成光學應用。動量空間中如何調控其周圍極化偏振是一個有趣的問題。
利用COMSOL來復現一篇國產小子刊，題為“Arbitrarily polarized bound states in the continuum with
光子晶體(PhC)膜腔是集成光子學中實現緊湊光學元件的理想材料。功能可能包括激光器、開關或放大器。在案例中，計算了L5 PhC薄膜腔的基模。PhC板由一個被空氣包圍的薄介質膜和在一個規則的、有限的、六邊形網格上穿孔的圓孔組成。對于L5腔，省略了沿裝置中心線的5個孔。共振模式被定位在缺失的孔隙處。因為該結構有三個對稱平面(x=0, y=0, z=0)，計算區域選擇為全結構的1/8，在對稱平面上采用鏡像邊界條件
光子晶體(PhC)膜腔是集成光子學中實現緊湊光學元件的理想材料。功能可能包括激光器、開關或放大器。在案例中，計算了L5 PhC薄膜腔的基模。PhC板由一個被空氣包圍的薄介質膜和在一個規則的、有限的、六邊形網格上穿孔的圓孔組成。對于L5腔，省略了沿裝置中心線的5個孔。共振模式被定位在缺失的孔隙處。因為該結構有三個對稱平面(x=0, y=0, z=0)，計算區域選擇為全結構的1/8，在對稱平面上采用鏡像邊界條件
在這個例子中，我們計算光子晶體光纖(PCF)的本征模如下圖所示。橫截面上的大量空氣孔是使用Lattice Copies生成的，因此一個基本的幾何圖案可以在布局中放置幾次。
這個例子的計算模式很好地限制在被光子晶體圖案包圍的光纖的7芯內。然而，我們要考慮到，由于主導波區域的折射率并不比外部大，輻射會泄漏到計算域的外部。因此，我們將透明邊界條件應用到布局的外部邊界
在這個例子中，我們計算光子晶體光纖(PCF)的本征模如下圖所示。橫截面上的大量空氣孔是使用Lattice Copies生成的，因此一個基本的幾何圖案可以在布局中放置幾次。
這個例子的計算模式很好地限制在被光子晶體圖案包圍的光纖的7芯內。然而，我們要考慮到，由于主導波區域的折射率并不比外部大，輻射會泄漏到計算域的外部。因此，我們將透明邊界條件應用到布局的外部邊界。
輸入文件所需的基本參數在基本示例傳播模式中進行了描述
本案例使用“自動計算透反率模式”研究光子晶體的透反率，將建立簡單二維光子晶體結構以說明透反率的計算方法。
模型示意圖：
預覽網格劃分效果如下：
觀察到下面的實時場：
記錄得到數據如下：
雙擊“TR_A_polar”得到 Y 方向偏振的透反率如下：
圖中的數據也可以導出保存在
subroutine vumat(nblock, ndir, nshr, nstatev, nfieldv, nprops,
* lanneal, steptime, totaltime, dt, cmname, coordmp, charlength,
* props, density, straininc, relspininc, tempold, stretchold
