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學生：孫嘉鳴 P46954436 指導老師：李旺龍

Wang Zhang1, Di Zhang1,3, Tongxiang Fan1, Jian Ding1, Jiajun Gu1, Qixin Guo2 and Hiroshi Ogawa2. Biomimetic zinc oxide replica withstructural color using butterfly ( Ideopsis similis) wings as templates. November 2006. 學生：孫嘉鳴 P46954436 指導老師：李旺龍. introduction.

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學生：孫嘉鳴 P46954436 指導老師：李旺龍

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Presentation Transcript

  1. Wang Zhang1, Di Zhang1,3, Tongxiang Fan1, Jian Ding1, Jiajun Gu1, Qixin Guo2 and Hiroshi Ogawa2 Biomimetic zinc oxide replica withstructural color using butterfly (Ideopsis similis) wings as templates November 2006 學生：孫嘉鳴 P46954436 指導老師：李旺龍

  2. introduction • 所謂光子晶體是指具有週期性排列的介電質結構，就分類上來說可以分為一維、二維與三維光子晶體。一維光子晶體就是在一個坐標維度上介電質呈週期性的分佈。同理，二維、三維光子晶體就是在二個維度，三個維度上的介電質呈週期性的分佈。一維的光子晶體較為人所熟知，就是所謂的薄膜。二維與三維的光子晶體，自從Yablonovitch和John首先提出光子晶體以來，因為它具有: • 1.不受電磁干擾與低傳輸損耗。 • 2.調變頻寬大，適合多工操作。 • 3.質量輕、體積小，反應速度快。 • 4.容易控制波導方向與操作電壓低。

  3. 自然界的光子晶體 • 光子晶體雖然是個新名詞，但自然界中早已存在擁有這種性質的物質，盛產於澳洲的寶石蛋白石 蛋白石(opal)即為一例。蛋白石是由二氧化矽奈米球(nano-sphere)沉積形成的礦物，其色彩繽紛的外觀與色素無關， 而是因為它幾何結構上的週期性使它具有光子能帶結構，隨著能隙位置不同，反射光的顏色也跟著變化。

  4. 在生物界中，也不乏光子晶體的蹤影。以花間飛舞的蝴蝶為例， 其翅膀上的斑斕色彩，其實是鱗粉上排列整齊的次微米結構，選擇性反射日光的結果。幾年前，科學家發現澳洲 海老鼠的毛髮也具有六角晶格結構，為生物界的光子晶體又添一例。

  5. 人造光子晶體 • 人造光子晶體是以人為的方法去做出週期性排列的介電質結構。最常見的有柱狀週期性排列(高介電質係數的物質與低介電質係數的物質皆適用)，還有柴堆狀與球狀等週期性的排列。一般而言，二維的光子晶體結構大多是做柱狀排列；三維的光子晶體大多是柴堆狀的週期性排列或是小球做週期性的晶格堆積。 球狀光子晶體 柴堆狀與二維光子晶體

  6. 光子能帶結構 • 在介電係數為週期排列的三維介電材料中，電磁波經散射後，某些波段的電磁波強度會因破壞快干涉呈指數衰減，無法在系統內傳遞，相當於在頻譜上形成能隙，於是色散關係也具有帶狀結構，即所謂的光子能帶結構(Photonic band structures)。 • 具有光子能帶結構的介電物質，就稱為光能隙系統(Photonic band-gap system，簡稱PBG系統)，或簡稱光子晶體(Photonic crystals)

  7. 蝶翼與蛾翼的光學效應 • 以蛾翼的示意圖為例，如果是大小、寬窄和厚度都是一樣的面層，可以看出其反射的角度幾乎都一樣。 • 但在另一張蝶翼則類似聖誕樹的樣子，每一層大小以及層間距離也不見得一樣，所以會導致反射的時候出現路徑差。因為光線有路徑差，使得波長跟著改變，導致光的顏色就會跟著改變。

  8. 蝶翼的構造 蝴蝶的蝶翼構造並非是鱗片長在鱗脊上，是平行扁平交錯長在鱗片區，屬於體-層系統 (body-lamellae system)，鱗脊也長在鱗片的表面，而結構上有正交橫肋(crossrib)。這些橫肋的間隔有一定的週期之外，鱗脊也有一定的間隔順序，使得減少來自鱗片最上面的寬頻反射，同時也成了散射元件，將透過各鱗片的光做選擇性角度漫射(diffuse)和擴展(spread)的反射顏色。 琉球青斑蝶 Ref: Biomimetic zinc oxide replica withstructural color using butterfly (Ideopsis similis) wings as templates

  9. 仿真蝶翼比較 (a.)琉球青斑蝶翼 (b.)蝶翼模板 (c.)蝶翼複製品 Ref: Biomimetic zinc oxide replica withstructural color using butterfly (Ideopsis similis) wings as templates

  10. 波導與濾光 光子晶體做為波導元件，最主要的原理是利用本身週期排列的介電質所產生的能障範圍來做為其主要的操作頻率，配合人為的缺陷結構作為導光的路徑，並利用周圍結構所產生的能障把光侷限在缺陷結構中行進，此即其導光的方法。 波導可作各種微光學元件的連結，並把各種元件結合成一個微光學系統，讓積體光路成為可實現的目標。另外也有用J 形波導來增加導光的效果，其原理是利用入射的光線經由特殊設計的拋物面反射到波導的入口，這種方法可使穿透率達91%。

  11. 光子晶體應用 利用全方位反射片(omni-directional reflector)封裝之白光LED，克服激發紫外光LED低功率輸出的問題並增加RGB螢光粉之白光轉換效率達30%以上。 為世界上首次結合一維光子晶體與白光LED封裝以達成增強白光亮度技術觀念的研究單位，並已實驗證實其可行性與功效。 在GaN LED的汲光效率(extraction efficiency)方面，利用全像微影技術(holographic lithography)配合電子束直寫(E-beam writer)、離子蝕刻(RIE)、re-flow技術在LED出光面製作二維光子晶體結構，此項技術涉及在各式材料上應用奈米級的lithography與etching技術以製作二維光子晶體結構，目前已完成初步的晶粒雛型，PC結構尺寸介於250 nm~1.5μm之間。

  12. Thanks for your Attention

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