甲蟲解決困擾科學(xué)家的光子晶體謎團(tuán)

　　在為光學(xué)計(jì)算研究光子晶體時(shí)，半導(dǎo)體制造商應(yīng)該從大自然中獲得啟示。美國(guó)猶他大學(xué)研究巴西甲蟲的人員稱：這種蟲子奇異的彩虹色表明了其獨(dú)特的光子晶格結(jié)構(gòu)——所謂的光子界“冠軍”結(jié)構(gòu)。

　　鉆石擁有這個(gè)結(jié)構(gòu)，但他們不能作為光子晶體，因?yàn)樗麄兊脑犹畛涮貏e緊密。通過用柱狀分子取代鉆石的碳原子間隔，以匹配單一波長(zhǎng)的光，甲蟲的結(jié)構(gòu)可以解決長(zhǎng)期存在于光子晶體中制造三維立體衍射光柵存在的問題。

　　美國(guó)猶他大學(xué)Michael Bartl教授稱：“目前，我們通過研究甲蟲的鱗片，找到了在更相關(guān)材料（無機(jī)半導(dǎo)體）中制造同樣結(jié)構(gòu)的方式，我們希望2008年夏天公布細(xì)節(jié)。”

　　20世紀(jì)90年代以來，當(dāng)光子晶體逐漸普及，這個(gè)理想的結(jié)構(gòu)就因其帶隙過濾能力而被選擇，這個(gè)能力取決于晶格節(jié)點(diǎn)的間隔。正如硅帶隙使得晶體管不僅能夠完成數(shù)據(jù)通信任務(wù)，還可實(shí)現(xiàn)放大和計(jì)算，同樣具帶隙的光子晶體應(yīng)該也能放大和計(jì)算光子。光子晶體也可使得太陽能電池更具效率，指導(dǎo)具體波長(zhǎng)的光催化化學(xué)反應(yīng)，最終能夠制備全光芯片的片上激光器。

　　不幸的是，這種處于想像中的光子晶體半導(dǎo)體做起來卻不是那么容易。一維和二維光子類似水晶的架構(gòu)已經(jīng)通過平面工藝制造步驟制造出來，但是三維光子晶體需要更加煩瑣的辦法，以至于目前為止收效甚微。

　　現(xiàn)在美國(guó)猶他大學(xué)的研究人員稱已經(jīng)從自然中（一英寸長(zhǎng)名為L(zhǎng)amprocyphus augustus象鼻蟲的綠色熒光鱗片）找到了好辦法。通過將其鱗片解剖為150多個(gè)截面，每個(gè)用電子顯微鏡記錄，研究人員發(fā)現(xiàn)了其建造技術(shù)的秘密，稱目前可以在半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)這一結(jié)構(gòu)。

　　看到綠色

　　Bartl說：“甲蟲的綠色熒光鱗片通過創(chuàng)建一個(gè)帶隙操縱光線——能有效反射綠光并對(duì)其他波長(zhǎng)透明。該架構(gòu)是三維光子晶格排列，除綠色外的所有其他波長(zhǎng)均可通過。”

　　甲蟲鱗片的總體結(jié)構(gòu)使用與鉆石晶格原子一樣的對(duì)稱性，但這些原子被有機(jī)材料（甲殼素）制成的圓柱形組建模塊取代，其間有空氣間隙。甲殼素的組建模塊空間使得所有波長(zhǎng)通過，除了500nm~550nm（綠色），從而使得甲蟲出現(xiàn)綠色熒光。

　　研究人員稱已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了無論從哪個(gè)角度看這種材料都可以得到綠色反射的原因，即每200*100微米的鱗片實(shí)際上由200層組成。Bartl稱這個(gè)三維立體的層次結(jié)構(gòu)將單一甲殼素分子和超級(jí)分子擴(kuò)展成了圓柱組建模塊。

　　經(jīng)過對(duì)甲殼素有機(jī)晶體結(jié)構(gòu)廣泛的計(jì)算機(jī)分析，研究人員得到一個(gè)預(yù)測(cè)模型，該模型可以預(yù)測(cè)光子晶體的綠色反射能力（利用其節(jié)點(diǎn)的形狀、晶格周期、間隔和其他參數(shù)）。研究人員希望使用該模型為透明半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)出新的光子特性。其構(gòu)想是讓模型告訴廣大工程師：怎樣在平面半導(dǎo)體制造工具中進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，如逐層分子束外延。