具有大尺度无缺陷垂直孔道的介孔二氧化硅薄膜在生物材料、电化学和光学传感器中具有重要应用价值。本文采用电化学辅助自组装(EASA)工艺制备大面积(5×5 cm2)孔道垂直定向的介孔二氧化硅薄膜,利用循环伏安曲线(CV),扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、二维掠入射小角X射线散射(2D-GISAXS)等手段对薄膜渗透性、表面宏观形貌,及介孔孔道的结构等进行了表征,并通过同步辐射反射率计测试了该薄膜在极紫外波段的光学性能。结果表明,采用EASA法在大面积基底上成功制备出了具有垂直取向孔道且渗透性良好的介孔二氧化硅薄膜,其孔径和晶胞参数大小分别为2.83 nm和4.1 nm,且其在极紫外波段(5~11 nm)的反射率最高可达75%。

采用密度泛函理论的第一性原理计算了不同Ag(111)/MgF2(001)薄膜界面结构的界面能，分析了薄膜界面稳定性。通过搭建Ag扩散的Ag(111)/MgF2(001)界面模型,研究了界面处Ag的扩散行为和扩散机理，分析了Ag扩散对薄膜光学性能的影响。结果表明，所建立的光滑界面模型的界面结构稳定。Ag(111)/MgF2(001)界面处的Ag扩散主要发生在表面层/次表面层，扩散的Ag与附近F，Mg之间存在弱共价键作用。Ag扩散使得薄膜光吸收增强，折射率减小；在可见光波段，折射率有较大幅度减小。

利用传输矩阵法设计了由SiO2、TiO2组成的多层膜高透射率光子晶体结构，并分析了其透射谱特性，根据等效层原理改变多层膜一维光子晶体的自身结构来提高通带内特征波长附近的透射率，获得了最佳结构参数。研究结果表明，当晶格参数为150 nm，填充比为0.346，周期数为6时，400 nm波长附近吸收带处的透射率最低也可达96.5%，并且不论是TM模式还是TE模式，入射角在0°~45°范围内仍保持高的透射率，该结构可望用于空气净化装置以提高SiO2、TiO2光催化剂的光催化效率。

The omni-directional reflection characteristics of one-dimensional photonic crystals composed of Ta2O5/MgF2 multi-quantum well (MQW) are studied using the transfer matrix method. An omni-directional reflector consisting of three and four Ta2O5/MgF2 MQWs is investigated. Results show that the photonic band gap of the photonic crystal composed of three and four Ta2O5/MgF2 MQWs, which are within the wavelength ranges of 402–712 and 412–1,023 nm, respectively, could cover the entire visible region. The relationship among the width of the band gap, its location, reflectivity rate, and incident angle of the incident light is analyzed. The optimal structural parameters of the MQW of the omni-directional reflector in the visible region are also calculated. The calculations provide a guide for the design of omni-directional reflection devices in the visible region.

利用传输矩阵方法对一维Ag/MgF2光子晶体的带隙特性进行了研究。构建了由Ag和MgF2组成的一维光子晶体结构模型, 以此模型为基础详细讨论了填充比、周期层数、入射角等参数对光子晶体带隙结构的影响, 并讨论了造成吸收的原因。研究结果表明, 与其他金属光子晶体的研究结果相比, 该结构的金属光子晶体在紫外线波段具有高反射率的光子带隙, 属于不完全带隙的一维光子晶体, 适用于制作紫外线波段的光学反射镜。

设计了一种可用于太阳能电池反射器的二维三角晶格光子晶体异质结结构.采用传输矩阵法对该结构在可见至近红外波长范围入射电磁波的反射率进行了模拟计算,并比较了不同入射方向下反射率的变化.结果表明,光线垂直入射时,该结构光子晶体对近红外波段入射光可实现完全反射；随着偏转角度的增大,在整个可见-近红外波段均显示出极高的反射特性.该结构有望用于制作覆盖整个可见光-近红外波段的高效全方位反射器.

为了在可见及近红外波段得到具有良好带隙结构的三维光子晶体，利用传输矩阵法分析了MgF2、Ta2O5以及Ta2O5/MgF2异质结构三维光子晶体的带隙性质.结果表明：Ta2O5/MgF2异质结构三维光子晶体在820~1 020 nm的近红外波段TM模式下具有不受入射光方向影响的全方位光子带隙.该结构有望用于制作近红外光波段的偏振器件.

采用基于密度泛函理论(DFT)第一性原理的平面波超软赝势方法,对空位缺陷体系的几何结构进行优化计算,发现空位引起周围原子的弛豫,晶格结构发生畸变。在此基础上研究了空位缺陷对闪锌矿结构CdS体系电子结构(能带结构、电子态密度)的影响,结果表明,S空位使得能带变窄,而Cd空位使带隙变宽,但二者仍为直接带隙半导体。对光学性质的研究发现,由于空位的介入使其邻近原子电子结构发生变化,使得空位缺陷体系光学性质的变化主要集中在低能量区。

采用SiO₂/CdSe构建了可见光波段一维光子晶体结构,并在其中引入LiTaO3缺陷层.利用传输矩阵法,分析了电磁波在无缺陷与含LiTaO3缺陷层两种光子晶体中的带隙结构,研究了缺陷层参量对光子晶体可见光波段带隙结构的影响规律.计算结果表明:LiTaO3的引入,有利于带隙宽度的增加,调整缺陷层结构参量,缺陷模的位置可在不同颜色区域出现,如红光、黄光等缺陷模.该结构有望用于制作可见光波段的滤波器.

利用传输矩阵方法，研究了金属Ag插层对C60/AlN一维光子晶体带隙宽度以及反射率的影响.结果表明：在C60与AlN之间插入Ag组成的［C60/Ag/AlN］n一维光子晶体，与未插入Ag层相比可使带隙增宽73.91%,最大反射率提高到91.01% .该结构可望用于制作紫外线波段的宽带反射镜.