声子晶体研究概述

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1、3642003年第4期（34）卷＊声子晶体研究概述温激鸿，韩小云，王刚，赵宏刚，刘耀宗（国防科技大学三院机电工程研究所光子/声子晶体研究中心，湖南长沙410073）摘要：声子晶体是一种新型的声学功能材料，对声子晶体的声子晶体同光子晶体有着相似的基本特征：当弹性波频率研究引起了各国研究机构的极大关注。文章介绍了声子晶体的落在禁带范围内时，弹性波被禁止传播；当存在点缺陷或线缺陷概念及基本特征，阐述了声子晶体禁带机理及声子晶体的各种时，弹性波会被局域在点缺陷处，或只能沿线缺陷传播。同样，潜在应用领域，最后对声子晶体的研究发展作了展望。通过对

2、声子晶体周期结构及其缺陷的设计，可以人为地调控弹关键词：声子晶体；弹性波禁带；减振降噪性波的流动。中图分类号：0734文献标识码：A弹性波是由纵波和横波耦合的全矢量波，在每个组元中具文章编号：1001-9731（2003）04-0364-04有3个独立的弹性参数，即质量密度P、纵波波速Ci和横波波速1引言C（t在流体介质中Ct=0）；光波是一种标量波，在每个组元中只有一个独立的弹性参数即介电常数。因此，对声子晶体的研究半导体的原子势场呈周期性排列。电子在半导体中传播比对光子晶体的研究具有更丰富的物理内涵。表1列出了（电时，电子与原子周

3、期势场相互作用使得半导体具有电子禁带，能子）晶体、光子晶体及声子晶体的有关特性比较，从表中可以看够操控电子的流动。以硅晶体为代表的半导体带来了一次科学出三者具有惊人的相似之处，（电子）晶体、光子晶体的一些研技术革命。随着晶体管、集成电路、大规模集成电路甚至超大规［7］究方法对声子晶体的研究有一定的指导作用。模集成电路的开发利用，半导体技术对人类文明的进步产生了表13类晶体波带结构特性比较［1，2］深远的影响。Tabie1Band-structure-reiatedpropertiesofthreecrystais十几年前，人们开始触及

4、对结构功能材料光学特性的研究。（电子）晶体光子晶体声子晶体理论和实验证明，如果结构功能材料中的介电常数在光波长尺度上周期性变化，光子与周期结构相互作用，会使得该材料具有由两种（或以上）由两种（或以上）结晶体属性介电材料构成的弹性材料构成的类似半导体中电子禁带的能带结构，称之为光子禁带（或称光（自然的或生长的）功能材料功能材料子带隙）。具有光子禁带的周期性电介质结构功能材料称为光各组元的质量子晶体（photoniccrystais）。光子能量落在光子禁带中的光波不各组元的介电常参量普适常数，原子数密度、声波波速能在光子晶体中传播。当光子

5、晶体中存在（或引入）点缺陷或数Ci，Ct线缺陷时，则禁带内的光波将被局域在点缺陷内或只能沿线缺波的形式德布罗意波（电子）电磁波（光子）弹性波陷传播。通过对光子晶体周期结构及其缺陷的设计，可以人为地调控光子的流动［3~5］。横波与纵波的V·D=01987年，由E.Yabionovithch和S.John两人分别独立提出偏振自旋1，I横波耦合波（V·U；0；（V·E；0）［4，5］VXU；=0）光子晶体概念。1991年，Yabionovitch通过实验验证了微波波段光子禁带的存在。随后光子晶体迅速成为光电子以及信息薛定谔方程麦克斯韦方程组

6、弹性波波动方程-hV2I+1IV2E-V（VgE）=（/+2A）V（Vgu）技术领域研究的热点。波动方程2mS（r）a2E-AVXVXu随后，人们发现当弹性波在周期性弹性复合介质中传播时，aI=ihc2at2+PG2u=0也会产生类似的弹性波禁带，于是提出了声子晶体概念。声子at晶体具有丰富的物理内涵及潜在的广阔应用前景。声子晶体的随介电常数差随着晶体势函数随质量密度差研究引起了各国研究机构的高度关注［6~39］。Sa-Sb的增大带隙的增加而增大，等的增大而增大，而增大，无光子、2声子晶体的概念及基本特征无电子态存在无振动存在光波

7、存在声子晶体（phononiccrystai）就是具有弹性波禁带的周期性无线电波、微波、频率范围微波和光波弹性波结构功能材料［7］。在声子晶体内部材料组分（或称为组元）的光波和X射线弹性常数、质量密度等参数周期性变化。随着材料组分搭配的根据声子晶体结构在迪卡尔坐标系中3个正交方向上的周不同，周期结构形式的不同，声子晶体的弹性波禁带特性也就不期性，可以将声子晶体分为一维、二维、三维声子晶体。学者们同。已经对一些特定结构的声子晶体进行了研究：一维声子晶体，一＊基金项目：国家重点研究基础发展计划（973）资助项目（51307）收稿日期：20

8、02-09-06通讯作者：温激鸿作者简介：温激鸿（1971-），男，江苏常熟人，在读博士，2001年于国防科技大学获工学硕士学位，现在国防科技大学三院机电工程研究所，师从温熙森教授，从事声子晶体的研究。温激鸿等：声子晶体