一種非密堆積光子晶體薄膜的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光子晶體薄膜制備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種非密堆積光子晶體薄膜制備方法，先對非密堆積結(jié)構(gòu)進行模擬估計和選擇所需要的微球大小和結(jié)構(gòu)；再將玻璃襯底放入濃硫酸和雙氧水混合溶液中預(yù)處理后清洗并吹干；然后將正硅酸乙酯、乙醇和鹽酸混合得到的正硅酸乙酯水溶膠超聲處理；采用離心法提純獲得兩種聚苯乙烯微球懸浮液后混合得到混合懸浮液，將得到的混合懸浮液加入到去離子水和正硅酸乙酯水溶膠的混合水溶液中得到混合液后裝入燒杯，并將處理后的玻璃襯底垂直放入燒杯后放在烤箱內(nèi)使燒杯中的混合液緩慢蒸發(fā)后放置24小時，得到生長在垂直懸浮的玻璃襯底上的非堆積光子晶體薄膜；其制備工藝簡單，原理科學(xué)，操作簡便，適用范圍廣。
【專利說明】一種非密堆積光子晶體薄膜的制備方法【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明屬于光子晶體薄膜制備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種微球大小比率范圍大、反射譜位置和寬度可調(diào)的非密堆積光子晶體薄膜制備方法。
【背景技術(shù)】:
[0002]化學(xué)自組裝方法制備三維光子晶體是一種簡單、經(jīng)濟、有效的方法，它是一種膠體組織自發(fā)形成有序排列的過程，利用亞微米球體的膠體或懸浮液通過自組裝過程制備蛋白石類光子晶體，現(xiàn)有的自組裝方法包括自然沉淀法、電泳輔助沉淀法和垂直沉淀法，其中，自然沉積法又分為垂直沉積法和水平沉積法兩種。近幾年，二元膠體晶體研究迅速興起，將大的微球和小的微球自組裝成二元膠體晶體后，結(jié)構(gòu)在禁帶寬度、反射譜位置和寬度等性能方面都有很好改善，可廣泛用于傳感器、濾波器和反射器等多個方面。
[0003]但是現(xiàn)有研究中，光子晶體結(jié)構(gòu)多為密堆積型的二元結(jié)構(gòu)，而且只能在一些特定的大小微球比率情況下實現(xiàn)，大的微球?qū)Ψ瓷浞宓奈恢煤蛶捰绊戄^大，而且大球的直徑和結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)呈正比關(guān)系，不能成為調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)帶隙的獨立因素。例如，通過蒸發(fā)的方法可以獲得一些二元膠體晶體結(jié)構(gòu)，但是大小微球的比率Y不能超過0.30 ;采用水平沉積方法大小微球的比率Y只能在0.154-0.225之間；采用垂直提拉技術(shù)，由于是密堆積結(jié)構(gòu)，二元膠體晶體結(jié)構(gòu)中大小微球的比率受到很大的限制；層層方法可以大面積組裝二元甚至三元膠體晶體結(jié)構(gòu)，而且微球的大小比率也不受限制，但是這一方法費時費力。因此，尋求設(shè)計一種簡便易行的非密堆積光子晶體薄膜的制備方法，擴大微球的大小比率，以應(yīng)用于傳感器和太陽能利用等方面，對開發(fā)光子晶體的結(jié)構(gòu)、功能和用途有著重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點，尋求設(shè)計提供一種非密堆積光子晶體薄膜的制備方法，制備出長程有序排列的非密堆積結(jié)構(gòu)、反射譜位置和寬度可調(diào)的光子晶體薄膜，為批量制備光子晶體薄膜器件創(chuàng)造良好的條件。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明先對非密堆積結(jié)構(gòu)進行模擬再制備光子晶體薄膜；其具體制備過程為:
[0006]( I)選用顯微鏡玻璃片作為玻璃襯底，將玻璃襯底放入體積比為3:1的濃硫酸和雙氧水混合溶液中預(yù)處理2-3小時，再用去離子水清洗玻璃襯底并用氮氣吹干；
[0007](2)將正硅酸乙酯(TE0S)、乙醇和摩爾濃度為0.lmol/L的鹽酸按照I '2:1的體積比混合得到正硅酸乙酯水溶膠然后超聲30分鐘；
[0008](3)采用常規(guī)的離心法提純，分別獲得直徑大小不同的兩種聚苯乙烯微球懸浮液，并分別計算直徑大小不同的聚苯乙烯微球懸浮液的體積濃度；
[0009](4)將直徑大小不同的聚苯乙烯微球懸浮液按照微球的個數(shù)比例混合得到混合懸浮液，在混合懸浮液中，直徑大的聚苯乙烯微球和直徑小的聚苯乙烯微球的個數(shù)比為1:1-8 ；[0010](5)將步驟(4)得到的混合懸浮液加入到去離子水和正硅酸乙酯水溶膠按體積比為100:5-10的混合水溶液中得到混合液，混合液中混合懸浮液與正硅酸乙酯水溶膠的體積比為1:1-1.5 ;
[0011](6)將步驟(1)處理后的玻璃襯底垂直放入裝有混合液的燒杯中；
[0012](7)將裝有混合液的燒杯放在恒溫的烤箱內(nèi)，在65°C條件下使燒杯中的混合液緩慢蒸發(fā)后，再放置24小時，即得到生長在垂直懸浮的玻璃襯底上的非堆積光子晶體薄膜。
[0013]本發(fā)明對非密堆積結(jié)構(gòu)進行模擬時，先采用公式(I)計算非密堆積光子晶體薄膜的有效折射率，
[0014]% = O12 Xfl+ n; X f2 f2( I)
[0015]其中，neff是有效折射率，H1是聚苯乙烯的折射率，f:是二元聚苯乙烯微球的填充率，n2是背景材料的折射率，f2是背景材料的填充率，非密堆積結(jié)構(gòu)填充率的變化使有效折射率發(fā)生變化，再采用平面波展開法計算出不同大小微球直徑比情況下，大球直徑D和非密堆積光子晶體結(jié)構(gòu)反射峰中心波長、的關(guān)系，如公式(2):
[0016]A =kD (2)
[0017]其中，k為比例系數(shù)，k與非密堆積結(jié)構(gòu)的材料、聚苯乙烯微球和正硅酸乙酯水溶膠的體積比有關(guān)，聚苯乙烯微球組成的非密堆積結(jié)構(gòu)k的范圍為1.740-2.622 ;然后根據(jù)需要的反射峰波長范圍，估計和選擇所需要的微球大小和結(jié)構(gòu)；對得到的結(jié)果采用簡化模
型的Bragg公式義=2d小、J2 - sin2 O進行驗證,二元聚苯乙烯微球形成光子晶體薄膜的二
維禁帶圖由平面波展開方法獲得，非密堆積中大小微球半徑比為0.50-0.77時，非密堆積光子晶體薄膜都有超過5%的相對禁帶，而半徑比為I處的密堆積光子晶體薄膜卻沒有禁帶；在有禁帶的非密堆積結(jié)構(gòu)中，二元聚苯乙烯微球大小比例為3:1的非密堆積結(jié)構(gòu)和微球大小比例為5:1的非密堆積結(jié)構(gòu)都好于單一聚苯乙烯微球形成的結(jié)構(gòu)。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，一是理論指導(dǎo)意義清晰，模擬計算可以根據(jù)需要反射譜的中心位置或帶寬，判定組成二元膠體結(jié)構(gòu)微球大小的范圍，為未來的大規(guī)模生產(chǎn)提供基礎(chǔ)；二是采用改進的垂直沉積方法，根據(jù)需要調(diào)節(jié)含有有機金屬成分的溶膠濃度，并加入到含有直徑不同大小的微球懸浮混合液中，方法簡單，易于操作；三是制備的二元膠體結(jié)構(gòu)為非密堆積結(jié)構(gòu)，兩種微球的大小比率可以在很大范圍內(nèi)變化，反射譜的帶寬可根據(jù)需要進行控制；其制備工藝簡單，原理科學(xué)，操作簡便，適用范圍廣，適用于紅外、可見光等不同的波長范圍；所采用的材料不但適用于聚苯乙烯，也適合二氧化硅、二氧化鈦等多種材料；所獲的結(jié)構(gòu)，通過煅燒或化學(xué)侵蝕，還可獲得其反結(jié)構(gòu)。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0019]圖1為本發(fā)明涉及的二元非密堆積結(jié)構(gòu)的平面示意圖，其中包括直徑大的微球1、直徑小的微球2和干結(jié)溶膠3。
[0020]圖2為本發(fā)明不同結(jié)構(gòu)二元聚苯乙烯微球自組裝二元非密堆積膠體的二維禁帶圖，其中曲線I為只有直徑大的微球的二維禁帶圖，曲線2為大小微球直徑比為5:1的二維禁帶圖，曲線3為大小微球直徑比為3:1的二維禁帶圖。
[0021]圖3為本發(fā)明實施例制備的非密堆積光子晶體薄膜的掃描電鏡照片，包括直徑大的微球1、直徑小的微球2和干結(jié)溶膠3。
[0022]圖4為本發(fā)明實施例1制備的非密堆積光子晶體薄膜的反射譜。
【具體實施方式】:
[0023]下面通過實施例并結(jié)合附圖做進一步說明。
[0024]實施例1:
[0025]本實施例為紅外區(qū)域，采用直徑比為1:5的二元聚苯乙烯微球，二元聚苯乙烯微球和正硅酸乙酯水溶膠的體積比為1:1.5，比制備反射譜中心波長為1550納米、有效帶寬為400納米的非密堆積光子晶體薄膜，其具體制備過程為:
[0026]1、結(jié)構(gòu)模擬:先對微球大小估算，計算非密堆積光子晶體薄膜的有效折射率，再采用平面波展開法，計算出聚苯乙烯微球和TEOS水溶膠的體積濃度比為2:3、大小微球直徑比為1:5時，大球直徑D和非密堆積光子晶體結(jié)構(gòu)反射峰中心波長\的關(guān)系，得出入=2.408D ;反射譜中心波長為1550納米時，大微球的直徑為649nm，小微球直徑為130nm ；
對得到的結(jié)果采用簡化模型的Bragg公式A = Id^neff2 -sin2 0進行驗證;
[0027]2、制備反射譜在紅外區(qū)域的非密堆積光子晶體薄膜:
[0028](I)選用22 X 22 X 0.3毫米3的顯微鏡玻璃片作為玻璃襯底，將玻璃襯底放入體積比為3:1的濃硫酸和雙氧水混合溶液中預(yù)處理2-3小時，再用去離子水清洗玻璃襯底并用氮氣吹干；
[0029](2)將正硅酸乙酯、乙醇和摩爾濃度為0.lmol/L的鹽酸按照1:2:1的體積比混合得到正硅酸乙酯水溶膠后超聲30分鐘；
[0030](3)采用常規(guī)的離心法提純，分別獲得直徑為130nm和649nm的聚苯乙烯微球懸浮液，計算得到直徑為130nm的聚苯乙烯微球懸浮液的體積濃度為1.330%，直徑為649nm聚苯乙烯微球懸浮液的體積濃度為4.390% ；
[0031](4)將直徑為130nm和649nm的聚苯乙烯微球懸浮液按照微球不同的個數(shù)比例混合得到混合懸浮液，其中，直徑為130nm和649nm的聚苯乙烯微球的個數(shù)比為1_8:1 ；
[0032](5)將步驟(4)得到的混合懸浮液加入到去離子水和正硅酸乙酯水溶膠按體積比為100:5-10的混合水溶液中得到混合液；
`[0033](6)將步驟(1)處理后的玻璃襯底垂直放入裝有混合液的燒杯中；
[0034](7)將裝有混合液的燒杯放在穩(wěn)定的烤箱內(nèi)，在65°C條件下燒杯中的混合液緩慢蒸發(fā)，放置24小時，即得到生長在垂直玻璃襯底上的非堆積光子晶體薄膜。
[0035]本實施例對制備的非堆積光子晶體薄膜通過場掃描電鏡掃描，獲得有序的掃描電鏡圖像，如圖3所示；采用紫外-近紅外分光度計獲得其光譜特性，如圖4所示，制備的非堆積光子晶體薄膜在1360-1760納米的遠(yuǎn)紅外區(qū)域，有很好的反射譜，反射譜的峰值在1563納米，譜寬為400納米，反射峰超過5%。
[0036]實施例2:
[0037]本實施例為可見光區(qū)域，采用直徑比為1:3的二元聚苯乙烯微球，二元聚苯乙烯微球和正硅酸乙酯水溶膠的體積比為1:1，制備反射譜中心波長為550納米、有效帶寬為150納米的非密堆積光子晶體薄膜，其具體制備過程為:[0038]1、結(jié)構(gòu)模擬:先對微球大小估算，計算非密堆積光子晶體薄膜的有效折射率，再采用平面波展開法，計算出聚苯乙烯微球和正硅酸乙酯(TEOS)水溶膠的體積比為1: 1、大小微球直徑比為1:3時，大球直徑D和非密堆積光子晶體結(jié)構(gòu)反射峰中心波長\的關(guān)系，得出入=2.535D ;反射譜中心波長為550納米時，大微球的直徑為217nm，小微球直徑為72nm ；
[0039] 2、制備反射譜在可見光區(qū)域的非密堆積光子晶體薄膜:
[0040](I)選用22 X 22 X 0.3毫米3的顯微鏡玻璃片作為玻璃襯底，將玻璃襯底放入體積比為3:1的濃硫酸和雙氧水混合溶液中預(yù)處理2-3小時，再用去離子水清洗玻璃襯底并用氮氣吹干；
[0041](2)將正硅酸乙酯、乙醇和摩爾濃度為0.lmol/L的鹽酸按照1:2:1的體積比混合得到正硅酸乙酯水溶膠后超聲30分鐘；
[0042](3)采用常規(guī)的離心法提純，分別獲得直徑為72nm和217nm的聚苯乙烯微球懸浮液，計算得到直徑為72nm的聚苯乙烯微球懸浮液的體積濃度為1.690%，直徑為217nm聚苯乙烯微球懸浮液的體積濃度為4.760% ；
[0043](4)將直徑為72nm和217nm的聚苯乙烯微球懸浮液按照微球不同的個數(shù)比例混合得到混合懸浮液，其中，直徑為72nm和217nm的聚苯乙烯微球的個數(shù)比為1-8:1 ；
[0044](5)將步驟(4)得到的混合懸浮液加入到去離子水和正硅酸乙酯水溶膠按體積比為100:5-10的混合水溶液中得到混合液；
[0045](6)將步驟(1)處理后的玻璃襯底垂直放入裝有混合液的燒杯中；
[0046](7)將裝有混合液的燒杯放在穩(wěn)定的烤箱內(nèi)，在65°C條件下燒杯中的混合液緩慢蒸發(fā)，放置24小時，即得到生長在垂直玻璃襯底上的非堆積光子晶體薄膜。
【權(quán)利要求】
1.一種非密堆積光子晶體薄膜的制備方法，其特征在于先對非密堆積結(jié)構(gòu)進行模擬再制備光子晶體薄膜；其具體制備過程為: (1)選用顯微鏡玻璃片作為玻璃襯底，將玻璃襯底放入體積比為3:1的濃硫酸和雙氧水混合溶液中預(yù)處理2-3小時，再用去離子水清洗玻璃襯底并用氮氣吹干； (2)將正硅酸乙酯、乙醇和摩爾濃度為0.lmol/L的鹽酸按照I '2:1的體積比混合得到正硅酸乙酯水溶膠然后超聲30分鐘； (3)采用常規(guī)的離心法提純，分別獲得直徑大小不同的兩種聚苯乙烯微球懸浮液，并分別計算直徑大小不同的聚苯乙烯微球懸浮液的體積濃度； (4)將直徑大小不同的聚苯乙烯微球懸浮液按照微球的個數(shù)比例混合得到混合懸浮液，在混合懸浮液中，直徑大的聚苯乙烯微球和直徑小的聚苯乙烯微球的個數(shù)比為1:1-8 ； (5)將步驟(4)得到的混合懸浮液加入到去離子水和正硅酸乙酯水溶膠按體積比為100:5-10的混合水溶液中得到混合液，混合液中混合懸浮液與正硅酸乙酯水溶膠的體積比為 1:1-1.5 ； (6)將步驟(1)處理后的玻璃襯底垂直放入裝有混合液的燒杯中； (7)將裝有混合液的燒杯放在恒溫的烤箱內(nèi)，在65°C條件下使燒杯中的混合液緩慢蒸發(fā)后，再放置24小時，即得到生長在垂直懸浮的玻璃襯底上的非堆積光子晶體薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非密堆積光子晶體薄膜的制備方法，其特征在于對非密堆積結(jié)構(gòu)進行模擬時，先采用公式(I)計算非密堆積光子晶體薄膜的有效折射率， 〃 =Wxfi+4 Xf2)1,2`(I) 其中，Iieff是有效折射率，H1是聚苯乙烯的折射率，f\是二元聚苯乙烯微球的填充率，H2是背景材料的折射率，f2是背景材料的填充率，非密堆積結(jié)構(gòu)填充率的變化使有效折射率發(fā)生變化，再采用平面波展開法計算出不同大小微球直徑比情況下，大球直徑D和非密堆積光子晶體結(jié)構(gòu)反射峰中心波長、的關(guān)系，如公式(2): 入=kD (2)其中，k為比例系數(shù)，k與非密堆積結(jié)構(gòu)的材料、聚苯乙烯微球和正硅酸乙酯水溶膠的體積比有關(guān)，聚苯乙烯微球組成的非密堆積結(jié)構(gòu)k的范圍為1.740—2.622 ；然后根據(jù)需要的反射峰波長范圍，估計和選擇所需要的微球大小和結(jié)構(gòu)；對得到的結(jié)果采用簡化模型的Bragg公式凡=2d小Ieff2 - sin2 9進行驗證，二元聚苯乙烯微球形成光子晶體薄膜的二維禁帶圖由平面波展開方法獲得，非密堆積中大小微球半徑比為0.50-0.77時，非密堆積光子晶體薄膜都有超過5%的相對禁帶，而半徑比為I處的密堆積光子晶體薄膜卻沒有禁帶；在有禁帶的非密堆積結(jié)構(gòu)中，二元聚苯乙烯微球大小比例為3:1的非密堆積結(jié)構(gòu)和微球大小比例為5:1的非密堆積結(jié)構(gòu)都好于單一聚苯乙烯微球形成的結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】C08L25/06GK103483609SQ201310443243
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月25日
【發(fā)明者】萬勇, 萬墨泉, 蔡仲雨, 賈明輝 申請人:青島大學(xué)