專利名稱：一種光子晶體反蛋白石薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光子晶體反蛋白石薄膜的制備方法，屬無機(jī)材料制備及應(yīng)用的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
21世紀(jì)將是光子世紀(jì)，光子晶體及其器件應(yīng)用已成為科研領(lǐng)域的重要課題。光子晶體具有寬光子帶隙，由于多數(shù)材料處于可見光及短波段時，介電常數(shù)為復(fù)數(shù)形式，即介電常數(shù)有虛部，會產(chǎn)生吸收，且周期單胞常數(shù)的尺寸對應(yīng)于帶隙的波段，使可見光波段光子晶體的制備增加了難度。目前，可見光波段光子晶體的研究較少，一是所用材料品種有限，如多數(shù)使用半導(dǎo)體Si、Si02、GaAs、TiA等材料制備，二是這些材料形成的光子帶隙普遍較窄，有的還存在吸收。光子晶體的理論計算目前已較為成熟，理論數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果具有較好的一致性， 預(yù)測的可見光波段三維光子晶體結(jié)構(gòu)的參數(shù)具有較好的準(zhǔn)確性，為實驗制備提供了有力保證。因此，如何利用新材料制備反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體，是一個新的重要研究課題。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是針對背景技術(shù)的狀況，采用新材料，以二氧化硅作基片，以聚苯乙烯作正蛋白石模板材料，以五氯化鉭作反蛋白石材料，用垂直沉積法制成聚苯乙烯正蛋白石結(jié)構(gòu)，用溶膠凝膠法、高溫煅燒制得反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體薄膜。技術(shù)方案本發(fā)明使用的化學(xué)物質(zhì)材料為二氧化硅、五氯化鉭、乙醇、硫酸、雙氧水、聚苯乙
烯、丙酮、去離子水、氮氣、研磨膏塊，其組合用量如下以克、毫升、毫米為計量單位二氧化硅SiA五氯化鉭TaCl5乙醇CH3CH2OH硫酸=H2SO4雙氧水 聚苯乙烯[CH2CH(C6H5) ] t丙酮CH3COCH3去離子水H20氮氣N2研磨膏塊400#制備方法如下
20 X 20 X 8mm 0. 5g士0. OOOlg 500mL士IOmL 120mL士IOmL 40mL士ImL 20mL±0. ImL IOOmL士ImL IOOOmL士IOmL IOOOOcm3 士IOOcm3 Φ 20X30mm
(1)精選化學(xué)物質(zhì)材料對制備需要的化學(xué)物質(zhì)材料進(jìn)行精選，并進(jìn)行質(zhì)量純度控制二氧化硅固態(tài)固體99.99%五氯化鉭固態(tài)固體99.8%乙醇液態(tài)液體99.9%硫酸液態(tài)液體濃度98%雙氧水液態(tài)液體濃度30%聚苯乙烯液態(tài)乳液固含量5. 6%丙酮液態(tài)液體99.5%去離子水液態(tài)液體99.9%氮氣氣態(tài)氣體99.5%研磨膏塊固態(tài)固體(2) 二氧化硅基片處理①研磨拋光二氧化硅基片將20 X 20 X 8mm 二氧化硅基片置于研磨平板上，用400#研磨膏塊進(jìn)行正、反面研磨，然后用軟質(zhì)材料進(jìn)行拋光，拋光后表面粗糙度Ra 0. 016 0.032 μ m，成鏡面；②硫酸+雙氧水溶液浸泡、去離子水清洗將硫酸120ml、雙氧水40ml置于燒杯中混合，攪拌成混合溶液，將二氧化硅基片垂直置于燒杯中浸泡1440min ；取出后用去離子水沖洗，然后晾干；③超聲清洗二氧化硅基片將二氧化硅基片置于超聲波清洗器內(nèi)，加入乙醇100ml、丙酮100ml，進(jìn)行超聲清洗，清洗時間為20min;④去離子水浸泡清洗將超聲清洗的二氧化硅基片垂直置于燒杯中，加入去離子水100ml，浸泡清洗 20min，清洗后晾干；(3)配制聚苯乙烯乙醇溶液稱取聚苯乙烯乳液20ml 士0. 1ml，量取乙醇240ml 士 lml，比例為1 12，加入燒杯中攪拌5min，成聚苯乙烯乙醇溶液；(4)超聲分散聚苯乙烯乙醇溶液將盛有聚苯乙烯乙醇溶液的燒杯放入超聲波清洗器上，超聲分散30min ；(5)垂直沉積法制備聚苯乙烯正蛋白石模板①制備是在玻璃容器中進(jìn)行的，將玻璃容器置于電加熱器上部，玻璃容器頂蓋上部設(shè)置兩個出氣管；②置放二氧化硅基片將二氧化硅基片垂直置于玻璃容器內(nèi)的平臺上；③加入聚苯乙烯乙醇溶液將配制好的聚苯乙烯乙醇溶液加入玻璃容器中，并淹沒二氧化硅基片；④開啟電加熱器，使溫度由25°C升至50°C 士 1°C，在此溫度恒溫靜置1440min ；
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在加熱恒溫靜置過程中，聚苯乙烯乙醇溶液浸潤二氧化硅基片，二氧化硅基片附近液面發(fā)生彎曲，并在基片上形成潤濕液膜，由于流體靜壓力作用，液膜厚度隨基片高度的增加而減小，由此產(chǎn)生向下的毛細(xì)作用力；由于液膜表面溶劑的蒸發(fā)，將導(dǎo)致液膜與基底間的范德華力及靜電分離壓的增加，產(chǎn)生一個向上的作用力，向上和向下的壓力差ΔΡ將推動溶劑協(xié)同膠體顆粒進(jìn)入液膜，從而形成有序的晶格前沿，晶格前沿的形成是晶格生長的開端，光子晶體晶格的生長過程可分為兩個階段一是由于溶劑的蒸發(fā)，推動懸浮液中的膠體顆粒向晶格前沿遷移，二是通過膠粒間的相互作用，新到達(dá)的膠粒并入晶格，促使晶格生長；經(jīng)垂直液態(tài)沉積、晶格生長，在二氧化硅基片的正反面生長出乳白色聚苯乙烯正蛋白石結(jié)構(gòu)模板層，即正蛋白石薄膜；⑤關(guān)閉電加熱器，使二氧化硅基片隨玻璃容器自然冷卻至25°C ；(6)真空干燥燒結(jié)打開玻璃容器頂蓋，取出冷卻后的玻璃容器及二氧化硅基片，一并置于真空干燥箱中，進(jìn)行干燥燒結(jié)，真空度為-0. IM Pa，干燥燒結(jié)溫度為50°C 士 1°C，干燥燒結(jié)時間為 120min士5min ；干燥燒結(jié)后，二氧化硅基片的正反面上生成乳白色聚苯乙烯正蛋白石結(jié)構(gòu)薄膜， 膜層厚度為6300nm ；(7)溶膠凝膠法制備反蛋白石薄膜①配制五氯化鉭乙醇溶液稱取五氯化鉭0. 5g±0. OOOlg ；量取乙醇125mL士 ImL ；將五氯化鉭、乙醇加入燒杯中，在25°C 士2°C下，用磁力攪拌器攪拌30min士aiiin， 攪拌速度為60rad/min，成五氯化鉭乙醇溶液；在配制過程中將發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)式如下
權(quán)利要求
1. 一種光子晶體反蛋白石薄膜的制備方法，其特征在于本發(fā)明使用的化學(xué)物質(zhì)材料為二氧化硅、五氯化鉭、乙醇、硫酸、雙氧水、聚苯乙烯、丙酮、去離子水、氮氣、研磨膏塊，其組合用量如下以克、毫升、毫米為計量單位·20 X 20 X 8mm 0. 5g士0. OOOlg 500mL士IOmL 120mL士IOmL 40mL士ImL 20mL±0. ImL IOOmL士ImL IOOOmL士IOmL IOOOOcm3 士IOOcm3 Φ 20X30mm二氧化硅Si02 五氯化鉭=TaCl5 乙醇=CH3CH2OH 硫酸=H2SO4 雙氧水=H2O2 聚苯乙烯[CH2CH(C6H5) 丙酮CH3COCH3 去離子水=H2O 氮氣n2 研磨膏塊400# 制備方法如下(1)精選化學(xué)物質(zhì)材料對制備需要的化學(xué)物質(zhì)材料進(jìn)行精選，并進(jìn)行質(zhì)量純度控制二氧化硅固態(tài)固體99. 99%五氯化鉭固態(tài)固體99.8%乙醇液態(tài)液體99.9%硫酸液態(tài)液體濃度98%雙氧水液態(tài)液體濃度30%聚苯乙烯液態(tài)乳液固含量 5. 6%丙酮液態(tài)液體99.5%去離子水液態(tài)液體99.9%氮氣氣態(tài)氣體99.5%研磨膏塊固態(tài)固體(2)二氧化硅基片處理①研磨拋光二氧化硅基片將20 X 20 X 8mm 二氧化硅基片置于研磨平板上，用400#研磨膏塊進(jìn)行正、反面研磨，然后用軟質(zhì)材料進(jìn)行拋光，拋光后表面粗糙度Ra 0. 016 0. 032 μ m,成鏡面；②硫酸+雙氧水溶液浸泡、去離子水清洗將硫酸120ml、雙氧水40ml置于燒杯中混合，攪拌成混合溶液，將二氧化硅基片垂直置于燒杯中浸泡1440min ；取出后用去離子水沖洗，然后晾干；③超聲清洗二氧化硅基片將二氧化硅基片置于超聲波清洗器內(nèi)，加入乙醇100ml、丙酮100ml，進(jìn)行超聲清洗，清洗時間為20min ；④去離子水浸泡清洗將超聲清洗的二氧化硅基片垂直置于燒杯中，加入去離子水100ml，浸泡清洗20min，清洗后晾干；(3)配制聚苯乙烯乙醇溶液稱取聚苯乙烯乳液20ml 士0. lml，量取乙醇MOml 士 lml，比例為1 12，加入燒杯中攪拌5min，成聚苯乙烯乙醇溶液；(4)超聲分散聚苯乙烯乙醇溶液將盛有聚苯乙烯乙醇溶液的燒杯放入超聲波清洗器上，超聲分散30min ；(5)垂直沉積法制備聚苯乙烯正蛋白石模板①制備是在玻璃容器中進(jìn)行的，將玻璃容器置于電加熱器上部，玻璃容器頂蓋上部設(shè)置兩個出氣管；②置放二氧化硅基片將二氧化硅基片垂直置于玻璃容器內(nèi)的平臺上；③加入聚苯乙烯乙醇溶液將配制好的聚苯乙烯乙醇溶液加入玻璃容器中，并淹沒二氧化硅基片；④開啟電加熱器，使溫度由25°C升至50°C士 1°C，在此溫度恒溫靜置1440min ；在加熱恒溫靜置過程中，聚苯乙烯乙醇溶液浸潤二氧化硅基片，二氧化硅基片附近液面發(fā)生彎曲，并在基片上形成潤濕液膜，由于流體靜壓力作用，液膜厚度隨基片高度的增加而減小，由此產(chǎn)生向下的毛細(xì)作用力；由于液膜表面溶劑的蒸發(fā)，將導(dǎo)致液膜與基底間的范德華力及靜電分離壓的增加，產(chǎn)生一個向上的作用力，向上和向下的壓力差ΔΡ將推動溶劑協(xié)同膠體顆粒進(jìn)入液膜，從而形成有序的晶格前沿，晶格前沿的形成是晶格生長的開端， 光子晶體晶格的生長過程可分為兩個階段一是由于溶劑的蒸發(fā)，推動懸浮液中的膠體顆粒向晶格前沿遷移，二是通過膠粒間的相互作用，新到達(dá)的膠粒并入晶格，促使晶格生長；經(jīng)垂直液態(tài)沉積、晶格生長，在二氧化硅基片的正反面生長出乳白色聚苯乙烯正蛋白石結(jié)構(gòu)模板層，即正蛋白石薄膜；⑤關(guān)閉電加熱器，使二氧化硅基片隨玻璃容器自然冷卻至25°C；(6)真空干燥燒結(jié)打開玻璃容器頂蓋，取出冷卻后的玻璃容器及二氧化硅基片，一并置于真空干燥箱中，進(jìn)行干燥燒結(jié)，真空度為-0. IM Pa，干燥燒結(jié)溫度為50°C 士 1°C，干燥燒結(jié)時間為 120min士5min ；干燥燒結(jié)后，二氧化硅基片的正反面上生成乳白色聚苯乙烯正蛋白石結(jié)構(gòu)薄膜，膜層厚度為6300nm ；(7)溶膠凝膠法制備反蛋白石薄膜①配制五氯化鉭乙醇溶液稱取五氯化鉭0. 5g±0. OOOlg ；量取乙醇125mL士 ImL ；將五氯化鉭、乙醇加入燒杯中，在25°C 士2°C下，用磁力攪拌器攪拌30min士aiiin，攪拌速度為60rad/min，成五氯化鉭乙醇溶液；在配制過程中將發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)式如下25°C±2°CTaCl5+5CH3CH2OH 30min±2min V Ta(OCH2CH3)5+5HClt式中=Ta(OCH2CH3)5 乙醇鉭 HCl 氯化氫②制備反蛋白石薄膜是在陶瓷容器中進(jìn)行的，將陶瓷容器置于電加熱器上；開啟容器蓋，將正反面含有正蛋白石薄膜的二氧化硅基片，垂直置于陶瓷容器內(nèi)的平臺上；加入五氯化鉭乙醇溶液，并浸泡淹沒二氧化硅基片； 蓋好容器蓋，打開出氣管；開啟電加熱器，使陶瓷容器由25°C升至30°C 士 1°C，在此溫度恒溫、保溫、靜置 2880min ；五氯化鉭乙醇溶液在30°C 士 1°C加熱狀態(tài)下，在乙醇蒸發(fā)過程中，在二氧化硅基片的正蛋白石表面上進(jìn)行垂直液態(tài)滲透，溶膠凝膠，晶格生長，在正蛋白石上填充了五氯化鉭溶膠，即正蛋白石填充了反蛋白石溶膠；③關(guān)閉電加熱器，使填充有反蛋白石薄膜材料的二氧化硅基片隨陶瓷容器自然冷卻至 250C 士2°C ；冷卻后，在二氧化硅基片正反面生成填充有反蛋白石溶膠材料的薄膜；(8)真空燒結(jié)反蛋白石薄膜反蛋白石薄膜燒結(jié)在真空燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行；將裝有二氧化硅基片及其上反蛋白石薄膜的陶瓷容器，整體置于真空燒結(jié)爐內(nèi)的平臺上；打開陶瓷容器頂蓋；關(guān)閉燒結(jié)爐，抽取爐內(nèi)空氣，使?fàn)t內(nèi)壓強(qiáng)值為-0. IM Pa；開啟氮氣管、氮氣瓶，向爐內(nèi)輸入氮氣，氮氣輸入速度40cm7min，使?fàn)t內(nèi)壓強(qiáng)保持在 1. OlXlO5Pa ；開啟加熱器，爐內(nèi)溫度由25°C升至500°C 士2°C，升溫速度10°C /min ； 在加熱過程中，陶瓷容器內(nèi)的五氯化鉭乙醇溶液逐漸蒸發(fā)，并由氣孔排出； 在加熱狀態(tài)下，在氮氣保護(hù)下，五氯化鉭分子填充在二氧化硅基片上的正蛋白石層中， 五氯化鉭成五氧化二鉭，正蛋白石膜層在加熱過程中逐漸消失，留下痕跡，成為反蛋白石層薄膜；Ta (OCH2CH3) 5+02 — Ta2O5 式中=O2 氧氣 Ta2O5 五氧化二鉭在 500°C 士2°C下恒溫、靜置 720min士 IOmin ；關(guān)閉燒結(jié)爐加熱器，使二氧化硅基片在氮氣保護(hù)下隨爐自然冷卻至25°C ； 關(guān)閉氮氣瓶，打開燒結(jié)爐，取出陶瓷容器，取出二氧化硅基片； 在二氧化硅基片的正反面生成黑色反蛋白石膜層，S卩光子晶體反蛋白薄膜；(9)檢測、化驗、分析、表征對制備的光子晶體反蛋白石薄膜的形貌、色澤、化學(xué)成分、膜層厚度、顆粒大小、化學(xué)物理性能進(jìn)行檢測、化驗、分析、表征；用場發(fā)射掃描電子顯微鏡SEM進(jìn)行正、反蛋白石結(jié)構(gòu)形貌分析； 用場發(fā)射掃描電子顯微鏡的EDS儀進(jìn)行化學(xué)成分分析； 用X射線衍射儀XRD進(jìn)行五氧化二鉭光子晶體結(jié)構(gòu)的衍射圖譜分析； 結(jié)論光子晶體反蛋白石薄膜為雙面膜層結(jié)構(gòu)，二氧化硅基片正反面上聚苯乙烯正蛋白石為凸形結(jié)構(gòu)，膜層厚度為6300nm，直徑為310nm ；五氧化二鉭反蛋白石結(jié)構(gòu)為凹形網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，復(fù)制了聚苯乙烯正蛋白石結(jié)構(gòu)模板的凸形結(jié)構(gòu)，凹形網(wǎng)孔厚度為4960nm，凹形網(wǎng)孔直徑為3IOnm ； (10)儲存對制備的光子晶體凹形五氧化二鉭反蛋白石薄膜，儲存于棕色透明的玻璃容器中，密閉避光儲存，并置于陰涼干燥處，要防潮、防曬、防酸堿鹽侵蝕，儲存溫度25°C 士2°C，相對溫度彡10%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光子晶體反蛋白石薄膜的制備方法，其特征在于所述的光子晶體反蛋白石薄膜的制備，是以二氧化硅作基片；正蛋白石膜層的制備是以聚苯乙烯為原料、以乙醇作溶劑；反蛋白石膜層的制備是以五氯化鉭作原料、以乙醇作溶劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光子晶體反蛋白石薄膜的制備方法，其特征在于所述的光子晶體正蛋白石膜層的表面結(jié)構(gòu)為凸形網(wǎng)狀，厚度為6300nm，凸形直徑為310nm，反蛋白石膜層表面結(jié)構(gòu)為凹形網(wǎng)孔狀，網(wǎng)孔直徑為310nm，網(wǎng)孔厚度為4960nm，凹形孔直徑與凸形直徑近似相等，正蛋白石膜層為模板，反蛋白石膜層燒結(jié)成型后，正蛋白石模板隨燒結(jié)消失，在二氧化硅基片上留下正蛋白石結(jié)構(gòu)膜層痕跡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光子晶體反蛋白石薄膜的制備方法，其特征在于反蛋白石薄膜制備是在陶瓷容器內(nèi)進(jìn)行的，陶瓷容器( 置于電加熱器(1)上，在陶瓷容器(5) 內(nèi)設(shè)有平臺(7)，在平臺(7)上垂直置放二氧化硅基片(10)，二氧化硅基片(10)的正反面為已制備的反蛋白石膜層(11)，在陶瓷容器(5)內(nèi)為五氯化鉭乙醇溶液(12)，五氯化鉭乙醇溶液(1 淹沒二氧化硅基片(10)；陶瓷容器( 部為容器蓋(6)，容器蓋(6)上部設(shè)有出氣管(8)、(9)；在電加熱器(1)上設(shè)有顯示屏G)、指示燈O)、開關(guān)(3) ；二氧化硅基片 (10)上的正蛋白石膜層制備后成反蛋白石膜層(11)，反蛋白石膜層(11)為凹形網(wǎng)狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光子晶體反蛋白石薄膜的制備方法，其特征在于反蛋白石薄膜的燒結(jié)是在高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)進(jìn)行，燒結(jié)爐(13)內(nèi)設(shè)有工作平臺(21)，在工作平臺 (21)上置放陶瓷容器(5)，揭去陶瓷容器( 上的容器蓋(6)，陶瓷容器(5)內(nèi)垂直置放的二氧化硅基片(10)、五氯化鉭乙醇溶液保持浸泡原樣；燒結(jié)爐(13)上部為爐蓋(14)，右側(cè)部設(shè)有氣孔(16)，左側(cè)部設(shè)有氮氣管(22)，并聯(lián)通氮氣閥(23)、氮氣瓶04)；在燒結(jié)爐 (13)左側(cè)部設(shè)有電控箱(17)，電控箱(17)上設(shè)有顯示屏(18)，指示燈(19)，開關(guān)(20)，并由導(dǎo)線05)與燒結(jié)爐(13)連接；燒結(jié)爐(13)內(nèi)的爐腔06)內(nèi)為氮氣(15)；爐腔06)內(nèi)溫度逐漸升至500°C，五氯化鉭乙醇溶液(1 逐漸蒸發(fā)，并由氣孔(16)排出，五氯化鉭填充在二氧化硅基片(10)的正向蛋白石上，即模板上，正向蛋白石的聚苯乙烯在300°C時蒸發(fā)，凸形網(wǎng)狀逐漸消失，凹形網(wǎng)狀逐漸形成，即反蛋白石凹形薄膜；在燒結(jié)過程中通入氮氣保護(hù)，氮氣輸入速度為40cm7min ；當(dāng)乙醇完全揮發(fā)，恒溫靜置120min，五氯化鉭凹形網(wǎng)狀薄膜形成，并固定在二氧化硅基片的正反面，完成了燒結(jié)成膜的全過程，即為光子晶體反蛋白石薄膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光子晶體反蛋白石薄膜的制備方法，以二氧化硅作基片，以聚苯乙烯作正蛋白石模板材料，以五氯化鉭作反蛋白石原料，以乙醇為溶劑，用垂直沉積法先制得正蛋白石凸形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，膜層干燥燒結(jié)后成模板，用溶膠凝膠法填充制得反蛋白石凹形網(wǎng)狀膜層，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)，制得反蛋白石凹形網(wǎng)狀薄膜，該結(jié)構(gòu)排列規(guī)整有序，具有完全帶隙，網(wǎng)孔直徑為310nm，與模板正蛋白的凸形直徑近似相等，膜層厚度為4960nm，化學(xué)物理性能優(yōu)良，可與多種化學(xué)物質(zhì)匹配，此制備方法先進(jìn)合理，工藝流程短，效果好，是十分理想的制備光子晶體反蛋白石薄膜的方法。
文檔編號C04B41/50GK102173862SQ20101059987
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月15日
發(fā)明者關(guān)慧歡, 張竹霞, 李玉平, 楊艷青, 韓培德 申請人:太原理工大學(xué)