光子晶體是由介電常數周期性分布的一維、二維、三維周期性復合材料.光子晶體概念首次被E.Yablonovitch和S.John于1987年分別提出.光子晶體的重要特點是存在光子帶隙.而光子帶隙的產生和光學性能主要是取決于晶格常數和材料的相對折射率.當入射光線的頻率恰好處于帶隙范圍時,光被抑制而不能傳播.由于光子晶體帶隙的特殊性質,基于光子晶體的光電子設備得到廣泛的研發.光子晶體在低耗光導、發光二極管、光開關及可調光柵等領域具有潛在的應用價值.外場可調光子帶隙材料帶隙的動態變化也得到廣泛研究.單分散膠體微球PMMA\\(聚甲基丙烯酸甲酯Poly-methyl-methacrylate\\)、PS\\(聚苯乙烯polystyrene\\)和SiO2由于廉價,易制備而得到青睞,被廣泛用于光子晶體制備.
本文利用溶膠-凝膠法制備單分散SiO2微球,以該微球為組裝材料,通過溶劑揮發制備了SiO2三維光子晶體.同時考察了不同粒徑微球制備的光子晶體帶隙的變化特點.微觀結構通過SEM\\(Scanning Electron Microscope掃描電鏡\\)獲得,光子帶隙位置通過紫外-可見分光光度計測量.
1 實驗部分
1.1 原材料及儀器
正硅酸乙酯\\(TEOS\\)、乙醇、氨水均為分析純,購于沈陽國藥集團,未再次純化;去離子水實驗室制備.實驗儀器主要有恒溫磁力攪拌器、飛鴿高速 離 心 機、超 聲 清 洗 器.檢 測 儀 器 有 日 立Hitachi S4800場 發 射 掃 面 電 子 顯 微 鏡、美 國Perkin Elemer Lamda 950分光光度計.測試用電壓為5kV.
1.2 二氧化硅顆粒制備
二氧化硅顆粒的具體制備條件如下:①分別量取9mL濃氨水,16.25mL無水乙醇和24.75mL去離子水,置于三口燒瓶中磁力攪拌;②分別量取一定體積\\(具體用量見表1\\)的正硅酸乙酯和45.5mL無水乙醇,攪拌均勻.將②中的均勻溶液加入到①中,快速攪拌,溶液呈微藍色,待攪拌均勻,降低攪拌速度反應2h.以上反應均在恒溫40℃下完成,反應條件及投料見表1.反應后溶液成乳白色,置于離心機中離心,轉速為8 000r/s,離心5min,并乙醇洗滌3次,烘干重新分散到乙醇中,形成二氧化硅溶膠,待用.【表1】
1.3 二氧化硅光子晶體模板制備
載玻片20mm×50mm×1mm置于V\\(濃硝酸\\)∶V\\(雙氧水\\)=2∶1的混合液中浸泡24h,依次用蒸餾水、乙醇超聲清洗20min,真空烘箱烘干備用.量取質量分數5%的SiO2溶膠至于燒杯中,超聲分散10min,將備用載玻片垂直至于燒杯中,密封并于正上方開有微孔,置于恒溫烘箱中,溫度設定在50℃,待溶劑乙醇完全揮發后在載玻片表面形成所需三維膜.
1.4 光子晶體微結構及光學性能確定
SiO2晶 體 薄 膜 的 反 射 譜 由 美 國PerkinElmer Lamda 950 UV/Vis/NIR分光光度計測定.薄膜微觀結構由日立Hitachi S4800場發射掃描電子顯微鏡獲得,測試電壓為5kV.
2 結果與討論
2.1 SiO2納米粒子表征
SiO2納米粒子制備通過SEM對其微結構表征,SiO2粒徑大小如圖1所示.納米粒子粒徑主要通過SEM在薄膜微結構中獲得,SiO2粒徑呈現均勻分布,隨著正硅酸乙酯體積分數的增加,粒徑為200~279nm.對大于200個微球統計可知,粒徑平均偏差在5%.【圖1略】
2.2 SiO2薄膜微結構
SiO2薄膜主要通過SiO2在乙醇中垂直沉降法制備,不同粒徑SiO2薄膜結構如圖1所示.SiO2在三維空間中呈有序的最密集排列結構,在同一個平面上,一個SiO2微球周圍密集排列了6個SiO2微 球,形 成 面 心 立 方 結 構FCC\\(Face-centered cubic structure\\).SiO2薄膜微結構中存在裂痕,分析主要原因是SiO2薄膜在馬弗爐中控溫500℃煅燒穩固膜結構過程中,由于微球間的應力釋放導致薄膜開裂.為了克服薄膜產生裂痕問題,后期實驗準備在SiO2微球上活化有機官能團,緩沖微球間應力釋放,從而避免薄膜裂痕出現.
通過裂痕發現,薄膜內部同樣呈現有序三維結構.
2.3 SiO2薄膜光學性能
光子晶體獨特的光學性能具有光子帶隙,這是光子晶體材料周期性排布的結果.當入射光頻率處于帶隙范圍內時,光被抑制而不能傳播.實驗中測試了光子晶體的反射光譜,由圖2可知,光子晶體帶隙分別處于490、520、538、542、555和560nm.實驗中光子晶體呈現FCC結構,SiO2微球在薄膜內的體積比為0.74,光子晶體的平均折射率【1】
nm\\),D分 別 為:200、240、245、250、260和279nm.由圖2可知,光子晶體薄膜帶隙位置分別為:490、520、538、542、555和560nm.由此可見試驗與理論基本吻合.【圖2】
3 結論
本文利用溶 膠-凝 膠 法制 備了 不同粒 徑的SiO2微球,配置5%質量分數的SiO2乙醇溶膠,通過恒溫溶劑揮發,實現了垂直沉積SiO2微球光子晶體的制備.通過SEM研究了光子晶體的微結構,光子晶體為FCC結構密堆積,討論了薄膜裂痕出現的原因.理論計算可知,光子晶體帶隙位置與實驗測的帶隙位置基本吻合.制備的光子晶體將為后期可調帶隙材料的制備奠定基礎,并指導后期微球結構光子晶體制備.
