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磁性光子晶体指的就是将磁性引入到光子晶体之中。光子晶体是一种人工的微结构，是由介电材料周期性排列形成的。在周期性介电结构中，光进行传播的时候和电子在其中传播的时候比较相似。介电常数增大到与光波长相等的时候，介质的布拉格散射就会出现一些带隙，俗称光子带隙。光子在这种带隙的区域内的传播是被严格的控制的，在宏观的角度上出现反射率比较大而透射率比较小的情况。磁性光子晶体就是在晶体的基础上具有磁性，能够衍生出更多的性质，衍生的新性质在多个领域中具有很大的应用价值，比如环形器、光信息存储、隔离器等。
1. 三维磁性光子晶体结构
磁性光子晶体根据结构的不同大致可以分为三种，分别为一维磁性光子晶体、二维磁性光子晶体和三维磁性光子晶体。三维磁性光子晶体的结构更加的复杂，制造工艺和流程的要求比较严格，目前的三维磁性光子晶体结构主要有四种：分别为蛋白石结构、反蛋白石结构、磁性核壳结构、仿生结构等。
1.1蛋白石结构
蛋白石结构的组成一般为亚微米或者微米，组成排列的形状是六角最密堆积自组装而成。微球材质中一般都含有二氧化硅、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等物质，其中微球的制备方法因为材质的不同而有所差别，二氧化硅微球的制作方法一般是通过Stber法，聚丙乙烯微球的制作方法一般是无皂乳液聚合法。微球自组装蛋白石结构的光子晶体方法比较多，目前我们实际中应用比较多的就是提拉法和垂直沉积法。垂直沉积法是在微球的分散液中插入玻璃基底，溶液都会产生蒸发的作用，在毛细力的作用下，微球会在基底的表面形成六角密堆积排列；提拉法是将基底利用机械臂保持一定速度的上提，从而能够有效地控制基底的生长厚度。
1.2反蛋白石结构
反蛋白石结构是在蛋白石结构的基础上进行一系列的加工得到的。蛋白石结构中微球和微球之间都会产生空隙，反蛋白石结构就是将介电材料添加在这些的孔隙之中，导致原来的微球被剔除，从而产生剩余孔隙填充物的结构。其中对于填充物的选择种类比较多，可以选择金属氧化物，碳、硅等非金属单质，金属或者有机高分子材料等。进行填充的方法也会根据填充物的材料不同有所差异，例如使用金属氧化物进行填充的时候一般使用溶胶、凝胶等方法；碳、硅化合物进行填充的时候一般使用CVD方法；金属材料进行填充的时候一般使用电化学方法；有机材料进行填充的时候一般使用单体聚合法。我们在对微球模板进行选择的时候，一般选择PS材质，因为PS材质在高温的条件下可以方便、快捷的去除，常温下也能去除。
1.3磁性核壳结构
磁性核壳结构也是在蛋白石结构的基础上，采用磁性核壳微球自组装形成的。自组装的方法也比较多，我们主要利用外加的磁场对微球进行排布，不同微粒微球之间的组装主要是通过外场的强度和位置进行控制。同时在微球的外表面在加入一层位阻层，也可以让微球带同种电荷，这样微球之间就会产生一种排斥，微球之间的距离会因为外磁场的变化而产生一定的变化，光子禁带的波长也会产生位移，出现磁致变色的效果，以上的结构我们就会称为磁感应光子晶体结构。
1.4仿生结构
仿生三维结构就是由生物模板制备各种材料，是目前生物物理中的一个比较热门的课题。仿生三维磁性光子晶体的原理就是利用磁性材料去克隆光子晶体生物微结构。克隆的方法一般就是采取湿化学法和高温烧结，优点就是成本比较低、操作简单，潜力巨大。
2. 三维磁性光子晶体的优势
根据目前的研究实际情况，三维磁性光子晶体的性能优势主要表现在以下的两个方面：首先，磁光响应在光子禁带处加强，有效的提升了光隔离器和环形器的使用性能能；然后，光子禁带的位置可以通过磁场进行控制，有效的保障了磁控显示器和光信息的存储。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆目前我国的磁性光子晶体研究起步比较晚，现在还处于初期阶段，面临着一些困难和挑战。尤其是在制备技术上，三维磁性光子的制备效率比较低，不能实现工业化的量产；三维磁性光子晶体禁带磁光响应增强物理机制在性质研究上还没得到一个公认的物理解释。
3. 三维磁性光子晶体的发展趋势：
（1）目前我国的三维磁性光子晶体结构都具有一定的制备方法，但是胶体模板和制备大面积的模板时还不够稳定，技术不够成熟，目前已经逐渐的向光微成型技术和材料填充结合的方式进行制备；
（2）目前我国对于光子晶体的研究逐渐的深入，其中光学禁带已经不能适应时代的发展需求，目前的研究主要方向就是结构复合化和介质可调谐；
（3）光子晶体因为其各种功能性介质的引入，已经只是应用在光学技术领域中，而是逐渐的拓展到热、磁、光电等更多的领域之中。
4. 应用探索
在制作高质量的选频器、高Q值的激光器、高性能的发射镜等集成电子器件和光电子器件中光子晶体具有明显的优势，目前超小型光学元件和光传输处理器件中应用光子晶体也具有很大的发展前景。我国已经在这些领域中进行研究和开发了很对年，也取得了一定的研究成果。但是光子晶体的应用领域不仅仅与此，目前随着我国科技的不断进步，光子晶体在探测、热光伏发电辐射体、军用防护等领域的发展也取得了一定的进展。
4.1 探测
在民用和军用领域中，利用光子晶体的超色散效应，可以有效的提高探测器焦平面分辨率，提高探测的精准度，具有很大的发展潜力。
4.2热光伏发电辐射体
太阳能热伏系统是一种新型的将太阳能和电能转换的装置，工作的原理就是将太阳能通过半导体电池转换为电能。热光伏电池中，单色光进行入射的时候，转换的效率比较高，一般都大于百分之五十。想要加强热光伏系统的效率，主要的方法就是将多波段太阳辐射通过选择性热辐射转换器转换为能够被电池接受的窄波辐射。光子晶体都处在光子禁带之中，光子禁带中的光学模式无法进行有效的传播而出现反射，尤其是通带内的辐射会逐渐的增强，在这种原理的情况下，使用光子晶体的自发辐射能够高效、快捷的转化为可以被利用的光学模式。目前国外已经开展的三维磁性光子晶体热光伏辐射源的相关研究工作。
（3）军用防护
在军事领域中也可以应用到光子晶体技术，尤其是激光防护和隐身技术中。电磁辐射的工作原理就是将某些比较特殊的电磁波通过专门的材料进行折射，在电磁波遇到物体的时候发生曲线绕过物体，对物体的后部实现正常的成像，最终达到隐身的目的。光子晶体的负折射效应也是比较明显的。
经过以上的研究可以发现，在光传输、集成光学器件、激光器等传统应用电子晶体的领域发展速度越来越快，其中体现的价值也越来越大。在其他的领域中凭借着光子晶体在某些波长范围内的光学禁带效应能够有效的解决一些问题，光子晶体在很多的领域中都有很好的发展潜力，还需要我国的科研人员进一步的研究和开发。
5. 结语
磁性光子晶体的发展潜力是巨大的，目前随着科技的不断进步，越来越多的新型材料被研究和开发出来，人们可以将这些新型的材料加入带磁性或者光性质中去，也可以利用这些新型的材料去制备反蛋白石结构，在未来的发展中，磁性光子晶体会因为独特的性能，在大量的领域中发挥着更加重要的作用。
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论文作者:1杨瑞 2杜立国
论文发表刊物:《科技尚品》2018年第12期
论文发表时间:2019/7/18
标签：光子论文; 晶体论文; 磁性论文; 结构论文; 蛋白石论文; 领域论文; 材料论文; 《科技尚品》2018年第12期论文;