甲蟲解決困擾科學家的光子晶體謎團

　　在為光學計算研究光子晶體時，半導體制造商應該從大自然中獲得啟示。美國猶他大學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特的光子晶格結構——所謂的光子界“冠軍”結構。

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

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

　　20世紀90年代以來，當光子晶體逐漸普及，這個理想的結構就因其帶隙過濾能力而被選擇，這個能力取決于晶格節(jié)點的間隔。正如硅帶隙使得晶體管不僅能夠完成數據通信任務，還可實現放大和計算，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能電池更具效率，指導具體波長的光催化化學反應，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卻不是那么容易。一維和二維光子類似水晶的架構已經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。

　　現在美國猶他大學的研究人員稱已經從自然中（一英寸長名為Lamprocyphus 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多個截面，每個用電子顯微鏡記錄，研究人員發(fā)現了其建造技術的秘密，稱目前可以在半導體中實現這一結構。

　　看到綠色

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

　　甲蟲鱗片的總體結構使用與鉆石晶格原子一樣的對稱性，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通過，除了500nm~550nm（綠色），從而使得甲蟲出現綠色熒光。

　　研究人員稱已經發(fā)現了無論從哪個角度看這種材料都可以得到綠色反射的原因，即每200*100微米的鱗片實際上由200層組成。Bartl稱這個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。

　　經過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(jié)點的形狀、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行三維設計，如逐層分子束外延。