二维声子晶体宽带隙和缺陷态的研究

• 作 者: 梁宏宇
• 出 处: 中南大学
• 发表日期: 2007年期
• 关键词: 声子晶体 弹性/声波 时域有限差分法 缺陷态 组合结构

声子晶体是在对电子在天然晶体和超晶格中的运动，以及电磁波在光子晶体中传播的研究基础上提出的新概念。对声子晶体的研究有着丰富的物理意义和广阔的应用前景。本文运用时域有限差分法(FDTD)对二维固／液声子晶体进行了理论计算，研究了二组元、三组元，以及它们的组合结构的带隙特征和缺陷对带隙的调节作用，具体内容如下：首先，把光子晶体研究中使用的时域有限差分法推广到声子晶体研究中，在弹性波理论的基础上，系统地推导了二维声子晶体时域有限差分法。其次，研究了固／液二组元正方形排列声子晶体完整体系和缺陷体系的带结构，以及组分材料物性参数对带隙的影响。发现：声子晶体最低带隙结构与组分材料物性参数及其填充率密切相关，基体的λ值和散射体与基体的密度比越大，最低带隙就越宽；若在声子晶体中引入适当的点缺陷，原完整结构的最低带隙中可能出现缺陷态，缺陷态的频率受缺陷柱的大小、位置、材料属性调节，并且这些缺陷态都是局域化的。再次，研究了三组元橡胶／铁／水包层体系的带结构，发现：包层体系较铁／水二组元体系更容易得到宽的低频带隙，且低频带隙宽度与包层圆柱的填充率和包层的厚度密切相关，较大的填充率和较大的包层厚度会导致较宽的低频带隙，这种变化主要体现为低频带隙的高频边沿变化，而低频边沿变化很小；包层体系中引入空腔线缺陷后，在原完整结构的最低带隙中会出现缺陷带，缺陷带的频率与线缺陷的宽度密切相关，线缺陷越宽，缺陷带越大。最后，研究了铁／水、橡胶／铁／水的组合结构带隙，发现：组合结构的带隙明显具有其分结构---二、三组元线缺陷体系各自带隙的特征，可以同时不仅在低频区有宽带隙，而且在高频区也有宽带隙和缺陷态。