甲蟲(chóng)解決困擾科學(xué)家的光子晶體謎團

　　在為光學(xué)計算研究光子晶體時(shí)，半導體制造商應該從大自然中獲得啟示。美國猶他大學(xué)研究巴西甲蟲(chóng)的人員稱(chēng)：這種蟲(chóng)子奇異的彩虹色表明了其獨特的光子晶格結構——所謂的光子界“冠軍”結構。

　　鉆石擁有這個(gè)結構，但他們不能作為光子晶體，因為他們的原子填充特別緊密。通過(guò)用柱狀分子取代鉆石的碳原子間隔，以匹配單一波長(cháng)的光，甲蟲(chóng)的結構可以解決長(cháng)期存在于光子晶體中制造三維立體衍射光柵存在的問(wèn)題。

　　美國猶他大學(xué)Michael Bartl教授稱(chēng)：“目前，我們通過(guò)研究甲蟲(chóng)的鱗片，找到了在更相關(guān)材料（無(wú)機半導體）中制造同樣結構的方式，我們希望2008年夏天公布細節。”

　　20世紀90年代以來(lái)，當光子晶體逐漸普及，這個(gè)理想的結構就因其帶隙過(guò)濾能力而被選擇，這個(gè)能力取決于晶格節點(diǎn)的間隔。正如硅帶隙使得晶體管不僅能夠完成數據通信任務(wù)，還可實(shí)現放大和計算，同樣具帶隙的光子晶體應該也能放大和計算光子。光子晶體也可使得太陽(yáng)能電池更具效率，指導具體波長(cháng)的光催化化學(xué)反應，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體做起來(lái)卻不是那么容易。一維和二維光子類(lèi)似水晶的架構已經(jīng)通過(guò)平面工藝制造步驟制造出來(lái)，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。

　　現在美國猶他大學(xué)的研究人員稱(chēng)已經(jīng)從自然中（一英寸長(cháng)名為L(cháng)amprocyphus augustus象鼻蟲(chóng)的綠色熒光鱗片）找到了好辦法。通過(guò)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)現了其建造技術(shù)的秘密，稱(chēng)目前可以在半導體中實(shí)現這一結構。

　　看到綠色

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

　　甲蟲(chóng)鱗片的總體結構使用與鉆石晶格原子一樣的對稱(chēng)性，但這些原子被有機材料（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(cháng)通過(guò)，除了500nm~550nm（綠色），從而使得甲蟲(chóng)出現綠色熒光。

　　研究人員稱(chēng)已經(jīng)發(fā)現了無(wú)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(chēng)這個(gè)三維立體的層次結構將單一甲殼素分子和超級分子擴展成了圓柱組建模塊。

　　經(jīng)過(guò)對甲殼素有機晶體結構廣泛的計算機分析，研究人員得到一個(gè)預測模型，該模型可以預測光子晶體的綠色反射能力（利用其節點(diǎn)的形狀、晶格周期、間隔和其他參數）。研究人員希望使用該模型為透明半導體材料設計出新的光子特性。其構想是讓模型告訴廣大工程師：怎樣在平面半導體制造工具中進(jìn)行三維設計，如逐層分子束外延。