光子晶体：用控制电子的方法控制光

文/姚晨辉

集成电路的后摩尔时代

集成电路是信息化时代的重要基石，从手机、计算机、电视，到汽车、高铁、航空器，集成电路已经变得无处不在。

1965年，英特尔公司创始人之一戈登·摩尔提出了一个著名的经验法则——摩尔定律。其内容为：每隔18～24个月，集成电路上可容纳的元器件的数目便会增加一倍，集成电路的性能也将提升一倍。

自摩尔定律提出以来，它已经在半导体行业应验了几十年。20世纪60年代第一批集成电路上仅有10多个晶体管，目前超大规模集成电路上动辄包含上百亿个晶体管。随着芯片制程发展到纳米级，集成电路晶体管的密度越来越接近物理极限，单纯依靠提高制程来提升集成电路性能变得越来越难，并且制造成本也在呈指数级攀升。

以纳米为长度单位的晶体管之间由于距离太短、绝缘层太薄，很容易发生漏电的情况。同时，晶体管的尺寸达到10纳米以下时，其中的电子会产生“量子隧穿效应”，导致电子不按设计的道路移动，运算准确性将受到严重影响。

业界普遍认为，集成电路目前已进入“后摩尔时代”，集成电路的创新也迫在眉睫，其中一个思路就是寻找芯片半导体材料的替代品，光子晶体也因此开始进入人们的视野。

带隙和带隙调控

随着集成电路晶体管的尺寸越来越小，要想进一步提升半导体材料的性能，必须应用量子力学的方法，从微观角度进行调控。 因此，我们需要先弄清楚几个概念。

能带：能带理论是用量子力学方法研究固体内部电子运动的理论。在物理学中经常用一条条的水平横线表示电子的各个能量值，一定能量范围内的许多能级（彼此相隔很近）形成一条带，被称为能带。

带隙：相邻两个能带间的能量范围被称为带隙，或能隙、禁带。

满带：完全被电子占据的能带被称为满带。满带中的电子不会导电。

空带：未被任何电子占据的能带被称为空带。

导带：被电子部分占据的能带被称为导带。导带中的电子能够导电。

价带：价电子所占据的能带被称为价带。价电子指原子核外电子中能与其他原子相互作用形成化学键的电子。价带可以是满带，也可以是导带。

能带结构可以解释导体、半导体、绝缘体的区别。在金属等导体中，导带与价带之间的带隙非常小，电子很容易获得能量而跳跃至导带而导电；绝缘材料的带隙很大，电子很难跳跃至导带，所以无法导电；半导体材料的带隙介于导体和绝缘体之间，只要给予适当条件的能量激发，或是改变其带隙的大小（带隙调控），就能导电。

因此，带隙是半导体电子器件中最重要的基本参数之一，精确调控半导体中的电子带隙是提高半导体性能的重要方法。

光子晶体

光子晶体又被称为光子带隙材料，是一类新型人工微结构材料，其特征是具有光子带隙，从而能像半导体调控电子一样调控光子，成为“ 光半导体” ，实现传统半导体材料无法实现的功能。

相比电子，光子具有高速、宽带、空间相容性好等优点，但是光子不容易实现精确调控。为了破解光子精确调控难题，同济大学物理科学与工程学院陈鸿教授围绕光子带隙诱导的多能级原子量子奇异干涉现象和光子晶体带隙调控新机理两个核心科学问题，历经二十余年系统深入的研究，取得了一系列原创性成果，为光子晶体应用提供了科学基础。

光子晶体的潜在应用

辛勤耕耘，终有收获。陈鸿教授领衔的“ 光子晶体的带隙调控与量子干涉现象研究” 项目荣获了2017 年上海市自然科学奖一等奖，项目成果在该领域处于国际领先地位，得到国际同行的广泛引用。项目发现的新效应、新机理，对相关新材料和新器件的制造和应用有重要指导意义。

由于光子晶体具有诸多优良的特性，它们在核医学成像、航空器制造、高能物理实验、核武器研究等国防和民用领域获得了重要的应用。在民用领域，陈鸿团队成功发展出一套具有独立知识产权的无线电能传输（WPT）技术。

WPT是将电能转换为其他形式的中继能量（如电磁场能、微波、激光及机械波等）进行无线传输，再转换为电能的输电技术。我们平时常用的手机无线充电器就是利用了这种技术。

WPT技术免除了频繁拔插电源电线的麻烦，给生活带来了很多便利。同时，它也可解决矿井、孤岛等存在安全隐患或难以架设电线等地方的充电难题。

陈鸿团队通过将量子调控的基本手段如“本征能量”与“本征波函数”调控等创新性地引入到WPT系统，并结合非厄米量子光学的新原理如光子晶体带隙拓扑结构等，开发了一种工作性能优越的WPT系统。该技术突破了现有WPT技术瓶颈，可高效地为机器人、无人机、自行车等设备充电。

（原载于《科学画报》2021年第6期，本文受到上海科委2019年度“科技创新行动计划”科普领域项目资助。项目名称：“立足科创中心，传播尖端科技——打造上海重大获奖科技成果科普化融媒体专栏”；项目编号：19DZ2332600。）

本文选自《科学画报》

微信发表时有改动

转载请保留作者，注明转载自科学画报