光子晶体结构对稀土发光的自发辐射调制

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自从光子晶体这一概念问世,它的一项重要功能一直受到人们的广泛关注和持久的研究。这一功能就是它对自发辐射的调制。理论上,自发辐射速率与局域态密度成正比,而光子晶体则是一个控制态密度的强有力的工具。现在制备光子晶体的手段,尤其是三维光子晶体,还存在很多的不足,大规模制备三维光子晶体的方法主要依赖于液体蒸发流动引起的自组装过程。利用这种方法制备的光子晶体和稀土窄带发光结合时,可以产生很多有意义的研究问题。首先,从基础性研究的角度出发,稀土的窄带发射相较于宽带的发射,可以在控制自发辐射的研究方面具有一些优势,而且利用窄带发射给我们提供了以个不同与宽带发射的研究角度,使得我们可以更加全面的看问题。另外,从实际应用的角度出发,光子晶体与稀土发光的结合可能带来一些崭新的具有新的功能的复合材料,比如说光敏化材料,角度发射材料,纯色发射材料,光子能量转换材料。但是在这些功能可以被实现以前,我们需要了解不同的稀土发光材料在不同结构光子晶体中被调制的程度。基于以上的这些考虑,我们设计了一系列荧光光子晶体,并且全面的分析了它们的形貌,光学特性,以及光子带隙效应对发光的影响。主要的结果总结如下。在第一个研究工作中,我们利用模板法制备了二氧化钛掺杂钐的反蛋白石结构光子晶体样品并且研究了光子晶体结构对钐离子的窄带发射的影响。我们利用扫描电镜确认了三维有序的结构。透过光谱显示透过率在一个位置凹陷,对应着光子带隙的位置。它的位置随着测试角度增加先篮移后红移。这种非常规的角度依赖关系是由于非均匀的塌缩。稳态发射光谱显示,在光子晶体中由于非完全光子带隙的影响4G5/2-6H9/2和4G(5/2)-6H(11/2)的发光发生了空间上的重分布,在一些角度上收到了较大程度的抑制,这种抑制的程度在另外的一些角度减少。同时在光子晶体样品中,由于光子晶体对辐射跃迁的抑制,钐离子的自发辐射寿命相对与大孔无序样品略有延长。在第二个研究工作中,为了研究在弱调制光子晶体对自发辐射的控制中一些尚存争议的问题,我们制备了一系列不同带隙中心位置的聚甲基丙烯酸甲脂蛋白石结构光子晶体,在介质中都均匀地分布着稀土配合物发光分子Eu(TTA)3(TPPO)2,它们的带隙中心位置受到精细的调控,分布在550nm到680nm的范围内。我们利用了各种手段考察了光子带隙对5D0-7FJ窄带发光的影响。我们进行了时间分辨光谱,角度分辨稳态光谱,变温光谱,的测量,以及总态密度和约化态密度的计算。我们的结果表示,首先,弱调制蛋白石结构聚甲基丙烯酸甲脂光子晶体中,当发光分子Eu(TTA)3(TPPO)2均匀分布在介质球中时,光子带隙效应对铕离子总的自发辐射速率Σ5D0-7FJ,以及外量子效率基本没有影响。有趣的是不同带隙位置的光子晶体(即便是是带隙与发射峰相重合)样品的自发辐射速率均大于非光子晶体样品。我们认为这并不是由光子带隙效应造成的,而是由于光子晶体的等效折射率改变造成的。然后,尽管铕离子总的自发辐射速率Σ5D0-7FJ,它5D0-7F2分支发射的能量在空间的分布被光子晶体强烈的改变了,在本征频率与5D0-7F2频段相重合的本征模式数目增加的方向上,5D0-7F2分支发射的相对强度增强;在本征频率与5D0-7F2频段相重合的本征模式数目减少的方向上,5D0-7F2分支发射的相对强度减弱,而在各个角度上的总的积分值保持不变。
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