蛋白石及反蛋白石结构光子晶体
王振领 林 君*
(中国科学院长春应用化学研究所稀土化学与物理重点实验室 长春 130022)
王振领 男,30岁,博士生,现从事溶胶-凝胶及发光的研究。 *联系人,E-mail :jlin @https://www.doczj.com/doc/ef2555980.html,
2003-12-23收稿,2004-02-20接受
摘 要 光子晶体是由不同介电常数的材料构成的一种空间周期性结构,它能够在特定方向上禁
阻、控制和操纵光子的运动。目前,已制备的光子晶体具有几种不同的结构类型,本文主要综述了蛋白石、反蛋白石结构光子晶体的制备方法及其光子带隙的影响因素。
关键词 蛋白石 反蛋白石 光子晶体 光子带隙
Opal and Inverse Opal Photonic Crystals
Wa ng Zhenling ,Lin Jun *
(Key La bo ra tor y o f Rar e Ea rth Chemist ry a nd Phy sics,Cha ng chun Institute o f Applied Chemist ry ,
Chinese Academy of Sciences ,Cha ng chun 130022,China )
Abstract Pho to nic c ry sta l is a spatia lly periodic structure fa bricated f ro m mate rials having
differe nt dielectric co nsta nts.It pr ovides a co nv enient and pow er ful to ol to co nfine,co ntro l,and
manipula te pho tons in special dimensio n of space.Photo nic cry sta ls w ith sev eral differ ent structures
hav e bee n pr epa red at present.In this paper the me tho ds for the pr epa ration o f o pal a nd inv erse o pa l pho to nic cr ystals and effects o n its pho tonic band g ap a re r ev iew ed briefly .
Key words
O pal ,Inv er se opal ,Pho tonic cr ystals ,Pho tonic band g ap 1987年,Yablonovit [1]和John [2]分别提出了光子晶体(PC),即具有光子带隙的周期性电介质结构的概念。光子带隙是光子晶体最主要的特征之一[3],当两种材料的介电常数相差足够大时,在电介质界面上会出现布拉格散射,产生光子带隙,能量落在光子带隙中的光将不能传播。光子带隙又可分为完全带隙和不完全带隙,所谓完全带隙,是指光子带隙结构中能够延伸至整个布里渊区(布里渊区是指在波失空间中的一些特定的区域,可以用描述电子能带结构的布里渊区来描述光子
的能带结构)的带隙:不完全带隙也称准带隙或抑制频带,是指只有在特定的方向上才有的带隙[4]。
光子局域是光子晶体的另一个特征,如果在光子晶体中引入某种缺陷,和缺陷态频率吻合的光子可能被局域在缺陷位置或只能沿缺陷位置传播[3]。依据光子带隙空间分布的特点,可以将光子晶体分为一维(1D )光子晶体、二维(2D )光子晶体和三维(3D )光子晶体[5]。
正如对半导体材料的研究导致电子工业的革命一样,对被称为“光子晶体”的一类新材料的研究可能会导致在光子技术领域的革命,在这场革命中,光子而不是电子将作为信息传递的主要载体[6]。当前光子晶体应用方面的研究工作主要集中在光子晶体反射器件、光子晶体发光二极管、光子晶体滤波器、光子晶体光纤、低阈值激光器等几个方面[7]
。光子晶体能否尽快地实用化,关键在于
光子晶体制备技术的发展。目前,制备光子晶体主要有三种方法[8]:微机械法、全息照相光刻蚀·
876·化学通报 2004年第12期 ht tp ://ww w .hx tb .o rg DOI:10.14159/https://www.doczj.com/doc/ef2555980.html, k i .0441-3776.2004.12.002
法[9]、胶体自组装法。物理方法制备光子晶体一般较为复杂、费时、成本高,又需多个步骤才能完成,一般实验室难以实现。相比之下,胶体自组装法是一种简单、快速、廉价的化学制备方法。单分散的胶体粒子通过自组装而形成的三维光子晶体,具有与天然蛋白石相同的立方密堆积结构,称为人工蛋白石(图1(a )),人工蛋白石可由SiO 2胶体粒子制备,也可由聚合物胶体粒子如聚苯乙烯(PS )胶乳、聚甲基丙烯酸甲酯(PM M A )胶乳等制备。这种人工蛋白石可作为模板,在胶体粒子的间隙充填具有较高折射率的无机材料,除去模板得到具有反蛋白石结构(图1(b))的光子晶体
[10]。本文主要
就蛋白石及反蛋白石结构光子晶体的研究进展作一评述
。图1 蛋白石(a )和反蛋白石(b )结构示意图[11]
Fig .1 Schematic diagrams of opal (a )and inverse opal (b )[11]
1 蛋白石结构光子晶体
1.1 单分散胶体粒子的制备
影响蛋白石结构光子晶体的质量及光子特性的因素很多。其中,一个最重要的因素是胶体粒子的单分散性,单分散性不好会导致蛋白石结构的无序性并产生位错,这些缺陷会对入射光产生很强
的随机散射,从而使蛋白石的透光率大大降低[12],最终可能会失去光子晶体的特性。因此,为得到
蛋白石结构光子晶体,首先必须制备出单分散性良好的胶体粒子。
单分散无机胶体粒子(如SiO 2)通常用沉淀反应来制备,该制备过程一般包括两个连续阶段:成核及核的生长。为了得到单分散的胶体粒子,这两个阶段必须严格分离,在核的生长阶段应避免成核作用,所以应严格控制反应条件如反应温度、溶液的p H 、反应物混合的方法、滴加速度、反应物浓度、溶液中的反离子浓度等。单分散的聚合物胶乳常通过乳液聚合过程制备,该方法的主要组分包括单体、分散介质(大多为水)、乳化剂(表面活性剂)、引发剂(通常是水溶性的)。利用该法可大量制备单分散的聚合物胶乳,如PS 、PM M A 等。单分散聚合物胶乳中胶粒的粒径可在较宽的范围(20nm ～1μm)内任意调控,其表面所带电荷的正负性可通过改变分散介质的p H 来调控。
最近,单分散胶体粒子的制备又有了一些新的发展。例如,Lu 等[13]利用溶胶凝胶法,通过改变
加入Na 2SO 4的浓度,合成了棒状、花生状等不同形状的单分散铁氧化物胶体粒子,改变合成条件可在150nm ～5μm 的范围内调控粒子的直径,以这些非球形的胶体粒子作为构建材料制备的光子
晶体具有一些球形构建材料合成的光子晶体所不具备的特性。Wa ng 等[14]制备了单分散SiO 2微球
(～100nm )的纳米复合物,Ag 量子点(2～5nm )均匀分布在SiO 2微球的表面,这种复合物的形貌
受控于微乳液中原硅酸四乙酯(TEO S)水解时光还原Ag +的时间,Ag 量子点在438nm 处具有等
离子体共振吸收带,复合物粒子的表面带有电荷,易于自组装形成光子晶体。J iang 等[15]将钛的乙二醇二乙醇酸酯母体加入含有少量水(体积分数约为0.3%)的丙酮中,经均相成核和生长过程及相应的后处理得到单分散的TiO 2胶体粒子,该法通过改变母体的浓度(0.68～ 1.2mmo l /L ),可在200～500m 范围内调控TiO 2胶体粒子的直径。在众多的无机半导体材料中,TiO 2由于其在可见和近红外区吸光度较低,并具有较高的折射系数(锐钛矿2.4,金红石2.9),因此被认为是制备光子晶体的理想候选材料。
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1.2 具有核-壳结构的单分散胶体粒子
Velikov 等[16]制备了一种具有核-壳结构的胶体粒子,该粒子的核由ZnS 构成,壳由SiO 2构成,或者相反。通过改变核-壳的相对厚度,能够调控复合粒子物质的组成及化学性质;通过核的溶解还可得到具有空心壳层结构的胶体粒子。由于ZnS 具有较高的折光系数(～ 2.36),因此这种复合粒子能够作为光子晶体的构建材料。随后,该研究小组又制备了具有金属介电特性的核-壳结构胶体粒子,该复合粒子的核由SiO 2构成,壳由Au 构成,如果溶解除去核SiO 2,则得到空心的Au 壳层,在Au 壳层的表面也可包覆SiO 2,包覆SiO 2壳层后不但减少了范德华力的相互作用,而且便于进行表面修饰。由于这种核-壳结构胶体粒子的单分散性、光学性能的可调控性以及SiO 2壳层的多功能性,因此可作为构建材料制备金属介电光子晶体[17]。Lu 等[18]用无定形的SiO 2包覆Au 纳米粒子形成具有核-壳结构的球形胶体粒子,通过改变溶胶凝胶母体的浓度或涂敷时间可以在数十至几百纳米的范围内调控SiO 2壳层的厚度。总之,由这些具有核-壳结构的胶体粒子作为构建材料得到的光子晶体,其光性能不同于由SiO 2胶体粒子构成的光子晶体。
1.3 单分散胶体粒子的自组装
单分散胶体粒子的自组装是合成蛋白石结构光子晶体的关键步骤,常见的自组装方法如图2[19～22]。
重力场沉降法[4](图2(a ))是一种利用单分散胶体粒子在重力场作用下自发形成蛋白石结构的较简单的自组装方法。事实上,该法是重力沉降、布朗运动、晶化作用等多种复杂过程相互作用的结果,其成功与否的关键在于严格控制几个参数,如胶体粒子的粒径和密度、沉降速率等,只有当沉降过程足够慢时,浓缩在容器底部的胶体粒子才会发生从无序向有序的转化,进而形成蛋白石结构。如果胶体粒子的粒径较小(<0.5μm )和(或)其密度与分散介质的密度相接近,则会成为平衡的分散体系而不发生沉降。沉降法的不足之处在于,不能控制蛋白石结构层数及上表面的形貌;沿重力场方向蛋白石的密度及有序性不同;所需时间相对较长(数周至数月)。
离心法是借助于离心力的作用使粒子发生有序自组装的方法(如图2(b )),离心力的大小、离心时间长短等因素均会影响所形成的蛋白石结构。
过滤法(如图2(c )):Ho lland 等[23]采用布氏漏斗真空抽滤,得到排列规则的PS 蛋白石结构,该法易于控制沉积的速度及蛋白石结构的厚度,也易于洗涤及在蛋白石结构的间隙充填不同的介质。
对流自组装法:随着液膜中水的蒸发,粒子浓度逐渐增加,胶粒由于具有较高的体积分数而首先晶化,这种晶化作用由于水的对流而增强,因此胶体粒子在拖尾处(如图2(d))或弯月面的中部
(如图2(e))聚集而形成具有蛋白石结构的晶体[20]。该法的一个重要特征是可以控制晶体的厚度,
胶体粒子沉积层的数目k 与粒子的粒径大小和体积分数有关[24]:
k =U L H /0.605d (1-H )
式中L 为弯月面的高度,U 为粒子与溶液的流速比(～1),d 为胶体粒子的直径,Υ为溶液中粒子的体积分数。
电泳沉积法(图2(f )):在重力沉降法中,如果胶体粒子太小,则沉降速率极慢,甚至不能发生;如果胶体粒子太大,则由于沉降速率太快而得不到有序的结构。Ho lgado 等[21]
利用胶体粒子的电泳现象可调控沉降的速率,很好地解决了这一问题。Rog ach 等[25]利用电泳沉积法将乙醇-水体系中带负电的单分散亚微米级PS 小球沉积到I TO 玻璃上得到三维胶体晶体。该法与重力沉降法相比极为迅速,仅需数分钟。
物理限制法[22]:实验装置如图2(g ),小池由两片玻璃基质和一个预先用光致抗蚀剂图案化了的一种玻璃基质框架构成。用注射器向小池中注入单分散胶体粒子的稀溶液,一边框上的孔道既可·878·化学通报 2004年第12期 ht tp ://ww w .hx tb .o rg
留住胶体粒子,又可让溶剂流出;N 2的压力和超声作用驱使粒子自组装成为立方密堆积结构(ccp),其(111)晶面与玻璃基质的表面相平行。运用该法已组装的最小粒子是直径约为60nm 的
PS 小球。该法速度较快,例如直径为0.48μm 的PS 小球在约1cm 2面积上自组装成25层仅用时
48h 左右;组装结构的层数、表面形貌严格可控;适用面广,对于球形粒子的分散体系,不论粒子的化学组成和表面特性(如电荷密度和化学功能团等)如何,该法均能适用
。
图2 单分散胶体粒子自组装形成蛋白石结构的方法[19～22]
Fig .2
Schematics of methods used for assembling the monodis persed colloidal particles into opal [19～22]在实际应用中,为缩短有序组装的时间、提高蛋白石结构的有序性,常将几种方法相互结合。目前,人们仍在探寻更简便、更有效的自组装方法。
如前所述,当两种材料的介电常数相差足够大时,在电介质界面上会出现布拉格散射,产生光子带隙,两种介质材料的介电常数比(或折射率比)越大,布拉格散射越强烈,就越有可能出现光子带隙。计算表明,在蛋白石结构中,折射率比达到4时才可能出现完全光子带隙,反蛋白石结构中这个比值是2.8[26]。具有蛋白石结构的大多数材料,其折射率比往往低于阈值4;另外,由于面心立方结构晶格点的球形对称所引起的简并,使蛋白石结构光子晶体不具有完全光子带隙。从这个意义上讲,蛋白石结构材料非常受重视不是因为其本身的光学性质,而是因为它可以作为合成反蛋白石结
构的模板[27]。
2 反蛋白石结构光子晶体
反蛋白石结构光子晶体常采用模板法制备,所用的模板材料有SiO 2胶体粒子、PS 、PM M A 胶乳微球等[28]。其一般步骤如图3所示[19]:(1)胶体粒子有序自组装形成具有蛋白石结构的模板(见
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1.3部分);(2)在模板的间隙充填待合成物质的前驱体,并使其固化;(3)除去模板得到反蛋白石结
构光子晶体[29]
。
图3 反蛋白石结构合成的一般步骤[19]Fig .3 Schematic of the general procedure for preparing invers e opal [19]
2.1 前驱体的充填与固化
为得到反蛋白石结构,必须均匀地充填蛋白石结构的空隙。要使得到
的反蛋白石结构材料具有完全光子带隙,则充填的材料必须有较高的折
射系数(> 2.8)。据测算,当充填率达80%以上时,才能得到最佳的带
隙[30]。常见的充填方法有液相化学反应法、纳晶煅烧法、化学气相沉积
法[31,32]、电沉积法等。
2.1.1 液相化学反应法 溶胶凝胶法是最为常用的液相化学反应法,它
是将待制备材料的溶胶通过毛细作用渗入蛋白石结构的空隙,空隙中的
溶胶与空气中的水蒸气反应得凝胶而固化,除去模板后即可得到具有反
蛋白石结构的材料如SiO 2[33]、金属(如Ti 、Al 、W 、Fe 、Sb 、Zr /Y)的氧化
物[34,35]等。此法条件温和、设备简单,所用的醇盐无需预处理,但后续过程
中的热处理会引起醇和水的大量蒸发而导致材料收缩较大,充填率较低;
另外,由于充填过程中溶剂的蒸发,会出现一些结构缺陷,如晶化不完整、
纳米孔洞等,这些缺陷均会导致充填率和有效折光系数的减少。
如果将有机单体渗入到蛋白石结构的空隙,紫外光照射或热处理或
加入引发剂可使空隙中的有机单体发生聚合、交联,除去模板后可得到具
有反蛋白石结构的聚合物[36],然后以此为模板可进一步合成具有蛋白石
结构的其它材料。J iang 等[37]以对流自组装法得到的SiO 2蛋白石结构为
模板,制备了有序大孔聚合物,再以该有序大孔聚合物为模板分别合成了
实心和空心的TiO 2胶体晶体。Yi 等[38]首先以SiO 2的胶体晶体为模板合
成有序的大孔聚合物,然后在聚合物的大孔内填入PS 小球并自组装成有
序的密堆积结构,最后将无机母体渗入胶乳小球的空隙并发生胶凝,热处
理除去有机模板得到了无机光子小球,该方法称为“双模板”技术。2.1.2 纳晶煅烧法 纳米尺寸的胶体粒子提供了一种将材料充填到蛋白石结构空隙中的方法,将比蛋白石最小孔道小得多(约10倍)的纳晶[30],充填到蛋白石结构的空隙中,然后在适当温度下煅烧,除去模板后可得到具有反蛋白石结构的材料。利用该法可制备具有反蛋白石结构的金属光子晶体[39,40]。Subramanian 等[41]用有序组装的PS 微球作模板,用超细的氧化物胶粒(<100nm)替代传统的醇盐母体制备了反蛋白石结构材料如SiO 2、TiO 2,为得到稳定的悬浮液,该法要求氧化物粒子的表面电荷应与PS 微球的表面电荷相同。这种制备方法有以下优点:(1)材料的收缩小(仅为6%左右),而溶胶凝胶法收缩较大(25%～30%);(2)可得到大尺寸(几mm )的反蛋白石结构材料;(3)不必高温处理,如用溶胶凝胶法制备反蛋白石结构的金红石相TiO 2,则须高温处理,而较高的温度将破坏材料的孔结构以及孔的有序性;(4)可制备不宜用溶胶凝胶法合成的材料;(5)方法简单,产率较高。
2.1.3 化学气相沉积法[31,32] 以乙硅烷气体为母体通过蛋白石的内表面均匀地沉积出硅纳米簇,然后在适当的温度下煅烧得多晶硅(折射率为
3.53)。该法的突出优点是充填均匀,充填量可控,充填率较高,甚至可高达100%,所得到的高纯硅光子晶体易于集成到硅基微电子装置上。但该法能否扩展至宽禁带半导体材料上,制成在可见光波长下具有完全光子带隙的光子晶体,有待于进一步的研究。
2.1.4 电沉积法[42] 将具有蛋白石结构的模板直接放在电化学池的阴极上,在电场的作用下,第
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Ⅱ副族元素与第Ⅵ主族元素构成的半导体(如CdSe,CdS)能沉积到蛋白石结构的空隙。该法优点是充填率高,但其它高折射系数的半导体材料是否适用需进一步研究。
2.2 模板的去除方法
常用的模板去除方法有加热法和溶解法。SiO 2蛋白石结构模板可用稀氢氟酸溶液溶解除去;而聚合物的蛋白石结构模板常采用加热法除去,也可用有机溶剂溶解除去。热处理不但可除去模板,还可使材料的母体(如金属醇盐等)转化为相应的金属氧化物,模板、气氛及加热的升温速率均会影响反蛋白石结构的形成及质量。对于由溶胶凝胶法制备的反蛋白石结构光子晶体,热处理可浓缩其结构、晶化其孔壁以及促进粒子生长。对于由纳晶合成的反蛋白石结构材料而言,热处理尤其重要,它可使单个的纳米粒子熔融以形成机械稳定的框架[43]。在利用溶解法除去PS 微球时,在PS 微球溶解之前应设法避免溶胀现象的发生,否则多孔材料的有序性将被破坏。
2.3 反蛋白石结构光子晶体的调控
2.3.1 反蛋白石结构的调控 Wang 等[44]
用多层聚电解质(PE)对PS 微球进行修饰,以修饰后有序组装的PS 微球为模板,合成了具有反蛋白石结构的TiO 2和TiO 2/SiO 2复合材料。研究表明,材料的孔结构受PE 特性的影响,用密堆积的PS-PE 胶态微球做模板可得到开放的孔结构;而用PS -SiO 2/PE 做模板则得到封闭的孔结构。孔的壁厚可通过改变沉积在PS 小球上的PE 层数来调控,增加沉积的层数,则壁厚增加。
2.3.2 光子晶体抑制频带的调控 调控抑制频带的波长最常用的方法是通过改变蛋白石模板中小球的粒径,以改变反蛋白石结构中的孔径,从而可实现抑制频带从紫外区到红外区的调控。
Sch roden 等[35]利用胶体晶体模板法合成了反蛋白石结构的SiO 2、TiO 2、ZrO 2光子晶体,研究了孔
径、充填物的折射系数以及固态材料的组成对光性能的影响,发现抑制频带的波长与孔径成正比;充填物的折射系数与抑制频带的位移具有线性的响应,随着充填物折射系数的增加,抑制频带的光谱位置向长波长方向移动;光子晶体的组成及壁的微结构均会影响材料的光性能。Gu 等[45]运用单分散的PS 小球和悬浮液中SiO 2和TiO 2纳米粒子共组装及后续的热处理得到具有反蛋白石结构的膜,通过改变悬浮液中SiO 2与TiO 2的数量比,可准确地调节材料的折射系数,尽而实现对抑制频带的调控。3 存在问题及展望
作为光子晶体,蛋白石及反蛋白石结构材料仍存在一些问题:(1)要得到具有完全光子带隙的光子晶体,蛋白石结构中材料的折射率应大于4,反蛋白石结构中应大于 2.8,这限制了低折射率材料在该方面的应用;另外,由于蛋白石结构中晶格点的球形对称引起的简并,很难得到具有完全光子带隙的蛋白石结构光子晶体。(2)由蛋白石模板制备反蛋白石结构光子晶体,结构“复制”的精确性取决于多种因素,如范德华相互作用、模板表面的浸润性、模板空隙的充填情况、固化过程中母体的体积收缩等,某一因素的微小变化将会导致反蛋白石结构的缺陷,从而影响其光学性能。(3)制备反蛋白石结构光子晶体时,无序性首先来自于蛋白石结构模板中的缺陷,如堆垛层错、小球粒径的微小偏差等,这些缺陷将直接“印记”在反蛋白石结构中;其次,无序性来自于充填过程本身及固化和热处理过程中的体积收缩。(4)结构中无序性的出现使对光子带隙的分析变得复杂。
光子晶体调节光子传播状态的特性,在光子学的各个领域具有广阔的应用前景,有希望成为未来光子产业的基础材料[46]。如何制备出造价合理、工艺简单且具有合适带隙的光子晶体,一直是众多科技人员努力追求的目标。利用PS 或SiO 2等胶体粒子自组装形成的蛋白石结构作模板合成反蛋白石结构材料的突出优点是运用不同粒径的模板小球,可得到孔径、壁厚以及孔与孔之间的“窗口”大小可调的光子晶体,从而实现对光子带隙的调控。与传统的刻蚀技术及微机械加工技术相比,·881·ht tp ://ww w .hx tb .o rg 化学通报 2004年第12期
这种方法成本较低,设备简单,尽管目前尚存在一些问题,有待进一步研究解决,但它仍不失为一项很有前景的光子晶体的制备技术。
参考文献
[1] E Yablonovitch.Phys.Rev.Lett.,1987,58(20):2059～2061.
[2] S Joh n.Ph ys.R ev.Lett.,1987,58(23):2486～2489.
[3] 向 安,陈鸿奎,高建平等.化学通报,2002,65(10):669～674.
[4] Y Xia,B Gates,Y Yin.et al.Adv.M ater.,2000,12(10):693～713.
[5] A Birner ,R B W eh rspohn ,G U M Sele et al .Adv .M ater .,2001,13(6):377～388.
[6] A T Taton.D J Norris.Nature,2002,416:685～686.
[7] 于学亚,曾兆华,杨建文等.人工晶体学报,2002,31(6):602～607.
[8] G A Oz in,S M Yang.Adv.Funct.M ater.,2001,11(2):95～104.
[9] M Camp bell,D N Sh arp,M T Harris on et al.Natu re,2000,404:53～56.
[10] M Egen,R Zen tel.Chem.M ater.,2002,14(5):2176～2183.
[11] Y Xia,B Gates,Z Y Li.Adv.M ater.,2001,13(6):409～413.
[12] P Ni,P Dong,B Ch eng et al.Adv.M ater.,2001,13(6):437～441.
[13] Y Lu,Y Yin ,Y Xia.Adv.M ater.,2001,13(6):415～420.
[14] W Wang ,S A As her .J .Am .Ch em .Soc .,2001,123(50):12528～12535.
[15] X J iang,T Herricks ,Y Xia.Adv.M ater.,2003,15(14):1205～1209.
[16] K P V elikov ,A Blaaderen .Langmuir ,2001,17(16):4779～4786.
[17] C Graf,A https://www.doczj.com/doc/ef2555980.html,ngmuir,2002,18(2):524～534.
[18] Y Lu,Y Yin ,Z Y Li et al.Nano Lett.,2002,2(7):785～788.
[19] O D Velev ,A M Lenh off.Current Opinion in Colloid &In terface Science,2000,(5):56～63.
[20] P M Tes sier,O D Velev,A T Kalambu r et al.Adv.M ater.,2001,13(6):396～400.
[21] M Holgado ,F Carc ía -San tamar ía ,A Blanco et al .Langmuir ,1999,15(14):4701～4704.
[22] S H Park,Y https://www.doczj.com/doc/ef2555980.html,ngmuir,1999,15(1):266～273.
[23] B T Holland ,C F Blan ford ,A Stein .Science ,1998,281:538～540.
[24] P J iang,G N Ostojic,R Narat et al.Adv.M ater.,2001,13(6):389～393.
[25] A L Rogach ,N A Kotov ,D S Koktysh et al .Ch em .M ater .,2000,12(9):2721～2726.
[26] H Sozuer,J Haus,R Inguva.Phys.Rev.B,1992,45:13962～13965.
[27] H M íguez,F M es eg uer,C L ópez et al.Adv.M ater.,2001,13(6):393～396.
[28] G R Yi,J H M oon,S M Yang.Ch em.M ater.,2001,13(8):2613～2618.
[29] J E G J W ijnh ov en,W L Vos.Sience,1998,281:802～804.
[30] D J Norris,Y A Vlasov.Adv.M ater.,2001,13(6):371～376.
[31] Y A Vlasov,X Z Bo,J C Sturm et al .Nature,2001,414:289～293.
[32] A Blanco ,E Choms ki ,S Grab tch ak et al .Natu re ,2000,405:437～439.
[33] O D VeleV ,T A J ede,R F Lobo et al.Natu re,1997,389:447～448.
[34] B T Holland ,C F Blan ford ,T Do et al .Chem .M ater .,1999,11(3):795～805.
[35] R C Sch rod en,M Al-Daous ,C F Blanford et al.Ch em.M ater.,2002,14(8):3305～3315.
[36] P J iang,K S Hw ang,D M M ittleman et al.J .Am.Ch em.Soc.,1999,121(50):11630～11637.
[37] P J iang,J F Berton e,V L Colvin.Science,2001,291:453～457.
[38] G R Yi,J H M oon,V N M anoharan et al.J .Am.Chem.Soc.,2002,124(45)13354～13355.
[39] O D Velev ,E W Kaler .Adv .M ater .,2000,12(7):531～534.
[40] K M Kulinows ki,P J iang,H Vas wani et al.Adv.M ater.,2000,12(11):833～837.
[41] G Su bramanian ,V N M anoharan ,J D Thorne et al .Adv .M ater .,1999,11(15):1261～1265.
[42] P V Brau n,P W iltz ius.Natu re,1999,402:603～604.
[43] C F Blanford ,H Yan ,R C Sch roden et al .Adv .M ater .,2001,13(6):401～407.
[44] D Wang,R A Garus o,F Caru so.Ch em.M ater.,2001,13(2):364～371.
[45] Z Z Gu,S Ku bo,W Qian et https://www.doczj.com/doc/ef2555980.html,ngm uir,2001,17(22):6751～6753.[46] 郭红霞,范吉军,赵晓鹏.功能材料,2003,34(1):5～8.·882·化学通报 2004年第12期 ht tp ://ww w .hx tb .o rg
光子晶体的应用及其发展前景 摘要：光子晶体是一种介电常数不同的，是人工设计的由两种或两种以上介质材料排列的一维·二维或三维周期结构的晶体。一维光子晶体已得到实际应用，三维光子晶体仍处于实验室实验阶段。由于光子晶体有带隙和慢光等优良特性，所以具有广泛的应用前景。 关键字：光子晶体物理基础材料制备应用 1、物理基础 （1）1987年，E.Y allonovitch 和S.John在研究抑制自发辐射和光子局域时提出光子这概念。概念提出后，其研究经历了一个从一维、二维到三维的过程，并将带隙不断向短波方向推进。微波波段的逞隙常称为电磁带隙（ElectromagneticBand-Gap,简称为EBG），光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。光子晶体是指具有光子带隙（Photonic Band-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波长可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。相比一维二维光子晶体只能产生方向禁带，三维光子晶体能产生全方向的禁带，具有更普遍的实用性。 2、光子晶体的原理 （1）什么是光子晶体 光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，所谓光子带隙是由于介电常数不同的材料在空间周期性排列导致介电常数的空间周期性，使得光折射率产生周期性分布，光在其中传播时产生能带结构，在带隙中的光子频率被禁止传播，因此称光子禁带，具有光子禁带特征的材料称光子晶体。 （2）光子晶体的特性 根据固体物理的理论知识，在电子晶体中，由原子排布的晶格结构产生的周期性势场会对其中的运动电子形成调制。类似于电子晶体的一些特性，光子晶体中由于介电常数的空间周期分布带来的调制作用，所以也会形成光波的的带状分布，出现不连续的光子能带，能带的间隙称为光子禁带。禁带中对应频率的光波不能被传播。 光子禁带是光子晶体的两个重要特征之一，它的另一重要特征是光子局域。按照形成光子晶体结构的介电材料的空间周期性，可将其分为一维、二维和三维光子晶体。对于一维的光子晶体来说，由于介电材料只在一个空间方向上周期排列，所以只能在这一方向上产生光子禁带。对于二维光子晶体来说，由于介电常数在两个空间方向上均具有周期分布，所以产生的光子禁带位于这两个方向或这两个波矢交面上。三维光子晶体具有全方位的周期结构，可在所有方向上产生光子禁带。产生的光子禁带又分完全带隙和不完全带隙。在具有完全带隙的光子晶体中，落在光子禁带中的光在任何方向都不能传播，而在具有不完全带隙的光子晶体中，光波只是在某些方向上被禁止。
光子晶体 2.1光子晶体的基本原理 大家都知道，许多研究都因类似的现象作出的假设。这是因为宇宙具有相同的模式，其中有一个高度一致的内部规则，即使拥有千变万化的外观。光子晶体也是这样，这是第一先假设光子也具有类似于电子的传输性质，不同的是电子是在普通晶体中传输，而光子是在光子晶体中传输，然后在半导体的基础上发展起来的。 另外，晶体的原子是周期性的，有序排列的，由于这个周期势场，电子的运动收到周期性布拉格散射效应，从而形成一个能带结构，带隙存在于带与带之间。如果电子波带隙能量落到带隙中，就不能继续传播。事实上，无论什么电磁波，只要受到周期性调制，就会产生一个能带结构，也有可能出现带隙。 简而言之，由于半导体中离子的周期性排列引起了能带结构的产生，而能带控制着载流子（半导体中的电子或者空穴）在半导体中运动。同样的，在光子晶体由周期性变化所产生的光的光带隙结构，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的移动。 2.2光子晶体的制备 人们已广泛认识到光子晶体具有的巨大应用前景, 这是光子晶体得以应用的必要条件———光子晶体的制备工艺得到世界上众多研究人员的深入研究，在此后的时间里，关于光子晶体的理论研究和实际应用的探索得到突飞猛进的发展，已然成为国际信息科技领域的一个热点问题。 从光子晶体的维数上看，光子晶体可以分为一维光子晶体, 二维光子晶体和三维光子晶体。一维光子晶体,顾名思义,就是在一个维度上周期性排布的光子晶体,它是由两种介质块构成的,而且这两种介质块须具有不同的介电常数,并在空间上交替排列。二维光子晶体是不同介电常数的介质柱(或其他规则介质)在二维空间上周期性排列的结构,如石墨结构,在某一平面上具有周期性,而在垂直这个平面的方向上是连续不变的。三维光子晶体是在三个方向上均具有周期性结构,因此与一维、二维光子晶体在某一个或两个方向上具有光子带隙不同,它在三个方向也都具有光子禁带,也被称为全方位光子带隙。
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几种常见晶体结构分析 河北省宣化县第一中学 栾春武 邮编 075131 栾春武：中学高级教师，张家口市中级职称评委会委员。河北省化学学会会员。市骨干教师、市优秀班主任、模范教师、优秀共产党员、劳动模范、县十佳班主任。 联系电话： E-mail ： 一、氯化钠、氯化铯晶体——离子晶体 由于离子键无饱和性与方向性，所以离子晶体中无单个分子存在。阴阳离子在晶体中按一定的规则排列，使整个晶体不显电性且能量最低。离子的配位数分析如下： 离子数目的计算：在每一个结构单元（晶胞）中，处于不同位置的微粒在该单元中所占的份额也有所不同，一般的规律是：顶点上的微粒属于该 单元中所占的份额为18，棱上的微粒属于该单元中所占的份额为1 4，面上 的微粒属于该单元中所占的份额为1 2，中心位置上（嚷里边）的微粒才完 全属于该单元，即所占的份额为1。 1.氯化钠晶体中每个Na +周围有6个Cl －，每个Cl －周围有6个Na +，与一个Na +距离最近且相等的Cl －围成的空间构型为正八面体。每个Na +周围与其最近且距离相等的Na +有12个。见图1。 图1 图2 NaCl
晶胞中平均Cl－个数：8×1 8 + 6× 1 2 ＝ 4；晶胞中平均Na+个数：1 + 12×1 4 ＝ 4 因此NaCl的一个晶胞中含有4个NaCl（4个Na+和4个Cl－）。 2.氯化铯晶体中每个Cs+周围有8个Cl－，每个Cl－周围有8个Cs+，与一个Cs+距离最近且相等的Cs+有6个。 晶胞中平均Cs+个数：1；晶胞中平均Cl－个数：8×1 8 ＝ 1。 因此CsCl的一个晶胞中含有1个CsCl（1个Cs+和1个Cl－）。 二、金刚石、二氧化硅——原子晶体 1.金刚石是一种正四面体的空间网状结构。每个C 原子以共价键与4个C原子紧邻，因而整个晶体中无单 个分子存在。由共价键构成的最小环结构中有6个碳原 子，不在同一个平面上，每个C原子被12个六元环共用，每C—C键共6 个环，因此六元环中的平均C原子数为6× 1 12 ＝ 1 2 ，平均C—C键数为 6×1 6 ＝ 1。 C原子数: C—C键键数＝ 1:2； C原子数: 六元环数＝ 1:2。 2.二氧化硅晶体结构与金刚石相似，C被Si代替，C与C之间插 氧，即为SiO 2晶体，则SiO 2 晶体中最小环为12环（6个Si，6个O）， 图3 CsCl 晶 图4 金刚石晶
反蛋白石光子晶体的研究进展 韩国志1 孙立国2 (1南京工业大学应用化学系 南京 210009; 2黑龙江大学化学化工与材料学院 哈尔滨 150080) 2008-07-02收稿,2008-09-24接受摘 要 反蛋白石晶体是一类重要的光子晶体,由于其制备材料的广泛性以及容易实现对光子禁带的 多重调制而受到广泛关注。本文介绍了目前反蛋白石晶体结构的主要制备技术和方法,详细阐述了反蛋白石 晶体结构的最新研究进展。 关键词 反蛋白石 光子晶体 胶体晶体 应用 Advance in Inverse Opal Photonic Structure Han Guozhi 1 Sun Liguo 2(1Department of Applied Chemistry ,Nanjing Universit y of Technology ,Nanjing 210009;2School of Chemistry and Materials ,Heilongjian g Univers ity ,Harbin 150080) A bstract Inverse opal crystals are an important structure for photonic crystal .Comparing with opal crystals ,it is advantageous in universality of materials for fabricating and easy to realize multi -tunablity of stop -band and structure function .In this paper ,current preparation and advance in application of inverse opal structures are reviewed . Keywords Inverse opal ,Photon ic crystal ,Colloidal crystal ,Application 图1 反蛋白石晶体的结构Fig .1 SEM image of invers e opal 蛋白石(opal )是一种存在于自然界中的、在数百nm 尺度 上有规整排列的含水非晶质二氧化硅。它拥有色彩缤纷的外 观,电子显微镜下观察表明,结晶蛋白石具有周期排列的六方 晶格,为面心立方结构。广义而言,蛋白石是一种三维光子晶 体,具备选择性布拉格反射,所以在不同的角度,显示不同的 颜色[1～4]。目前人工蛋白石主要采用胶体晶体自组装方法制 备。将表面带同种电荷的胶体颗粒(如非晶二氧化硅微球、聚 苯乙烯微球等)按一定的浓度分散于溶剂中,由于颗粒表面之 间的电荷相互作用,随着溶剂的蒸发,胶体粒子自动排列成六 方密堆积的胶体晶体,当胶体晶体中微球的直径与光波长相 当时,该晶体即可产生带隙,具有与蛋白石相似的光学特性。 反蛋白石晶体就是在蛋白石晶体的空隙中填充某种介 质,然后通过焙烧、溶解或化学腐蚀等方法除去蛋白石晶体的原材料后所形成的多孔结构,即空气小球以面心立方的形式分布于介质中,每个空气小球在之前胶体粒子接触点以小的圆柱形通道连接(图1)。如果介质折射率与空气不同,就产生布拉格反射,反射波长可由下式计算: λ=2(2 3)1 2d (n 2a -sin 2θ)1 2其中,λ表示反射波长,d 表示晶面间距,n a 表示材料平均折射率,θ表示入射光线与晶面的夹角。这种结构只要填充材料的折射率跟周边的介质(空气)的比值达到一定的数值(>2.8)时,就会出现完全光子带隙。 与蛋白石晶体相比,反蛋白石晶体最大的优势在于制备材料的选择性广泛、材料折射率的差异容易
硅基光子晶体的研究 从真空管到超大规模集成电路，人类跨出了巨大的一步、半个世纪以来，电子器件的迅猛发展使其广泛应用于生活和工作的各个领域，它尤其促进了通讯和计算机产业的发展。然而，进一步小型化以及在减小能耗下提高运作速度，几乎是一种挑战、由于电子器件是基于电子在物质中的运动，在纳米区域内，量子和热的波动使它的运作变得不可靠了，人们感到了电子产业的发展极限。由于光子是以光速运动的粒子，以光子为载体的光子器件有比电子器件高得多的运行速度，光子在电介质传播每秒可以携带更多的信息，其传输带宽要远大于金属导线，并且光子受到的相互作用远小于电子，因而光子器件的能量损耗小、效率高，人们转而把目光投向了光子，提出了用光子作为信息裁体代替电子的设想。类似于电子产业中的半导体材料，光子产业中也存在着一种基础材料——光子晶体（Photonic Crystals ）。 光子晶体（Photonic Crystals ）是由具有不同介电常数（折射率）的材料按照某种空间有序排列的的其周期可与光波长相比的人工微结构。介电函数的周期性变化能够调制材料中光子的状态模式，使光子带隙出现，当光的频率位于光子带隙范围内，它将不能在光子晶体中的任何方向传播。因此，光子晶体也常称为光子带隙材料（Phtonic Band Gap Materials ）。光子晶体将成为光电集成、光子集成、光通讯的关键性基础材料，所以光子晶体又成为“光学半导体”。它广阔的应用前景使光子晶体成为当今世界范围的 一个研究热点，得到了迅速的发展。 硅材料是现代集成电路工业的基础性材 料，是人类制备工艺最成熟、研究最深入、 了解最清楚的材料之一。硅的折射率 较高 （在波长为1.1μm 时n=3.53），满足完全 光子带隙的光子晶体的要求，且硅对通信领 域所采用的两个波长1.3μm 和1.55μm 来说 是透明的，所以硅材料是制备光子晶体的良 好材料。近几年硅基光电集成取得了一些突 破，研究硅基光子晶体，将大大促进硅基光电集成，全光集成技术的发展。 本研究方向着重研究硅基光子晶体和二氧化硅蛋白石光子晶体的制备和性质，研究 采用自组装方法获得的蛋白石胶体晶体为模板，制备硅的反蛋白石结构，理论计算表明三维周期结构只具有赝光子带隙，这种由数百纳米的单分散二氧化硅小球自组装面心密排堆积而成的反蛋白石结构具有完全的光子带隙。 光子晶体的广阔的应用前景使其 成为当今世界范围的一个研究热点
第二章作业 2－1 常见的金属晶体结构有哪几种它们的原子排列和晶格常数有什么特点 V、Mg、Zn 各属何种结构答：常见晶体结构有 3 种：⑴体心立方：－Fe、Cr、V ⑵面心立方：－Fe、Al、Cu、Ni ⑶密排六方：Mg、Zn －Fe、－Fe、Al、Cu、Ni、Cr、 2---7 为何单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示出各向异性答：因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同，造成原子间结合力不同，因而表现出各向异性；而多晶体是由很多个单晶体所组成，它在各个方向上的力相互抵消平衡，因而表现各向同性。第三章作业3－2 如果其它条件相同，试比较在下列铸造条件下，所得铸件晶粒的大小；⑴金属模浇注与砂模浇注；⑵高温浇注与低温浇注；⑶铸成薄壁件与铸成厚壁件；⑷浇注时采用振动与不采用振动；⑸厚大铸件的表面部分与中心部分。答：晶粒大小：⑴金属模浇注的晶粒小⑵低温浇注的晶粒小⑶铸成薄壁件的晶粒小⑷采用振动的晶粒小⑸厚大铸件表面部分的晶粒小第四章作业 4－4 在常温下为什么细晶粒金属强度高，且塑性、韧性也好试用多晶体塑性变形的特点予以解释。答：晶粒细小而均匀，不仅常温下强度较高，而且塑性和韧性也较好，即强韧性好。原因是：（1）强度高：Hall-Petch 公式。晶界越多，越难滑移。（2）塑性好：晶粒越多，变形均匀而分散，减少应力集中。（3）韧性好：晶粒越细，晶界越曲折，裂纹越不易传播。 4－6 生产中加工长的精密细杠（或轴）时，常在半精加工后，将将丝杠吊挂起来并用木锤沿全长轻击几遍在吊挂 7~15 天，然后再精加工。试解释这样做的目的及其原因答：这叫时效处理一般是在工件热处理之后进行原因用木锤轻击是为了尽快消除工件内部应力减少成品形变应力吊起来，是细长工件的一种存放形式吊个7 天，让工件释放应力的时间，轴越粗放的时间越长。 4－8 钨在1000℃变形加工，锡在室温下变形加工，请说明它们是热加工还是冷加工（钨熔点是3410℃，锡熔点是232℃）答：W、Sn 的最低再结晶温度分别为: TR(W) =（～×(3410+273)－273 =（1200～1568）(℃)＞1000℃ TR(Sn) =（～×(232+273)－273 =（-71～-20）(℃) ＜25℃ 所以 W 在1000℃时为冷加工，Sn 在室温下为热加工 4－9 用下列三种方法制造齿轮，哪一种比较理想为什么（1）用厚钢板切出圆饼，再加工成齿轮；（2）由粗钢棒切下圆饼，再加工成齿轮；（3）由圆棒锻成圆饼，再加工成齿轮。答：齿轮的材料、加工与加工工艺有一定的原则，同时也要根据实际情况具体而定，总的原则是满足使用要求；加工便当；性价比最佳。对齿轮而言，要看是干什么用的齿轮，对于精度要求不高的，使用频率不高，强度也没什么要求的，方法 1、2 都可以，用方法 3 反倒是画蛇添足了。对于精密传动齿轮和高速运转齿轮及对强度和可靠性要求高的齿轮，方法 3 就是合理的。经过锻造的齿坯，金属内部晶粒更加细化，内应力均匀，材料的杂质更少，相对材料的强度也有所提高，经过锻造的毛坯加工的齿轮精度稳定，强度更好。 4－10 用一冷拔钢丝绳吊装一大型工件入炉，并随工件一起加热到1000℃，保温后再次吊装工件时钢丝绳发生断裂，试分析原因答：由于冷拔钢丝在生产过程中受到挤压作用产生了加工硬化使钢丝本身具有一定的强度和硬度，那么再吊重物时才有足够的强度，当将钢丝绳和工件放置在1000℃炉内进行加热和保温后，等于对钢丝绳进行了回复和再结晶处理，所以使钢丝绳的性能大大下降，所以再吊重物时发生断裂。 4－11 在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬，而稍隔一段时间再行弯折，铅板又像最初一样柔软这是什么原因答：铅板在室温下的加工属于热加工，加工硬化的同时伴随回复和再结晶过程。越弯越硬是由于位错大量增加而引起的加工硬化造成，而过一段时间又会变软是因为室温对于铅已经是再结晶温度以上，所以伴随着回复和再结晶过程，等轴的没有变形晶粒取代了变形晶粒，硬度和塑性又恢复到了未变形之前。第五章作业 5－3 一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体异同答：一次渗碳体：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。二次渗碳体：从 A 中析出的渗碳体称为二次渗碳体。三次渗碳体：从 F 中析出的渗碳体称为三次渗碳体共晶渗碳体：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体共析渗碳体：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗
光子晶体及其应用的研究 (程立锋物理电子学) 摘要：光子晶体(PbmDftic Crystal)是一种新型的人工材料，其最显著的特点就是具有光子禁带(Photonic B锄d．G ￡lp，简称PBG)，频率落在光子禁带内的电磁波是禁止传播的，因而具有光子带隙的周期性奔电结构就称为光子晶体。近几年，光子晶体被广泛地应用于微波、毫米波的电路设计中。的滤波特性，加以优化，则可以实现带通滤波器。迄今为止，已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。光子晶体的出现使光子晶体信息处理技术的"全光子化"和光子技术的微型化与集成化成为可能，它可能在未来导致信息技术的一次革命，其影响可能与当年半导体技术相提并论。 关键词：光子晶体；算法；应用；
1光子晶体简介 在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路。推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。半导体的工作载体是电子，因此半导体的研究围绕着怎样利用和控制电子的特性。但近年来，电子器件的进一步小型化以及在减小能耗下提高运行速度变得越来越困难。人们感到了电子产业发展的极限，转而把目光投向了光子。与电子相比，以光子作为信息和能量的载体具有优越性。光子是以光速运动的微观粒子，速度快；它的静止质量为零，彼此间不存在相互作用，即使光线交汇时也不存在相互干扰：它还有电子所不具备的频率和偏振等特征。电子能带和能隙结构是电子作为一种波的形式在凝聚态物质中传播的结构，而光子和电子一样具有波动性，那么是否存在这样一种材料，光子作为一种波的形式在其中传播也会产生光子能带和带隙。近来大量的理论和实验表明确实存在这样一种材料，其典型的结构是一个折射率周期变化的三维物体，它的周期为光的波长，折射率变化比较大时，会出现类似于电子情况的光子能带和带隙。这种具有光子能带和带隙的材料被称为光子晶体。 在半导体材料中，电子在晶体的周期势场中传播时，由于电子波会受到周期势场的布拉格散射而形成能带结构，带与带之间可能存在
题目：单分散高分子微球的制备及其自组装光子晶体结构色
目录 第一章引言 1.1、光子晶体结构 (4) 1.2、光子晶体结构色的光学原理 (4) 1.3、光之晶体结构色的制备原理 (6) 1.5、高分子微球自组装 (6) 1.4、无皂乳液法制备单分散高分子微球模板制备原理 (8) 第二章单分散高分子微球的制备 (9) 第三章实验装置图 (9) 第四章样品表征结果与数据分析 (9) 第五章表征方法 (12) 第六章结果与数据分析 (13) 第七章实验总结 (17) 第八章参考文献 (17) 【摘要】本实验是通过模仿蛋白石结构，并且采用高分子微球自组装法形成的三维光子晶体，使具有与天然蛋白石相同的立方密堆积结构。研究仿蛋白石结构高分子微球光子晶体的结构与性能。
【关键词】无皂乳液聚合、单分散、高分子微球、光子晶体 第一章引言 1.1 光子晶体结构
光子晶体是指具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构，即频率落在光子带隙内的电磁波是禁止传播的，这种结构有时也称为PBG光子晶体结构，这种新型人工材料即为光子晶体材料。 从量子理论角度来说，光是具有量子性质的，每一频率的光对应一定的光子能量。物质的原子处于一系列不连续的能量状态中（即能级），在通常情况下，它们处于最低能级，即基态。当各种频率的光照射到物体上时，原子中的电子就从基态跃迁到激发态。如果某种频率的光子的能量恰好等于原子的两个能级的能量差时，这一光子将被吸收、使原子从低能级跃迁到高级能，原子处于激发态，当电子重新回到低能级即基态时，就向外辐射光子，辐射出来的光子决定了我们看到的物体的颜色。多数物体不能将投射到其上的光全部反射出来，我们看到的只是其中部分反射回来的光。所有物质均应符合上述理论，但一类物质表面上看不符合上述量子理论，如蛋白石，其化学组成主要为非晶二氧化硅，该物质在可见光内几乎没有吸收，光应透过，而其表现出了各种颜色。其实，蛋白石结构是符合量子理论的，但是蛋白石具有一种由二氧化硅微球呈六方最紧密堆积的有序结构，该有序周期性结构对可见光的衍射造成了贵蛋白石的具有颜色现象，称这种结构为光子晶体结构。 本实验将模仿蛋白石结构，采用高分子微球自组装法形成的三维光子晶体，使具有与天然蛋白石相同的立方密堆积结构。 1.2 光子晶体结构色的光学原理 光子晶体是由两种或两种以上的不同折射率的介质材料在空间
半导体敏化太阳能电池的突破 [摘要]半导体敏化太阳能电池在过去数年已引起越来越大的兴趣。这类电池开始时转化效率非常低，现在迅速发展到转化效率达到4-5%。本文从三方面分析了优化提高太阳能电池的性能的途径：（1）材料：不仅包括光吸收材料，也包括电子和空穴导体、对电极材料；（2）通过表面处理来控制电子-空穴复合和能带排列；（3）发展具有增强光捕获和采集性能的纳米复合吸收材料。我们认为这些关键点可以使半导体敏化太阳能电池的设计和发展取得重要突破。 [正文]纳米技术被认为将使工业发生革命性的变化，通过纳米技术降低装置费用和提高效率，可使光电能源费用大大降低，产生显著的经济效益。传统的硅太阳能电池依赖高品质的材料，吸收光之后，产生的载流子将留在相同的材料中直到它们在选择性接触中被提取；为了阻止载流子提取前复合，必须采用高成本的尖端技术。相反，纳米尺度的吸收材料可以迅速把光生载流子分离到两个介质中，对材料品质不需苛刻要求，因此，大大减少了制造费用。吸收材料把光生载流子（电子和空穴）分离到两种介质中的概念，在染料敏化太阳能电池中被详细研究。其中，电池由辅助的纳米结构电子和空穴传输材料构成，染料分子起到吸收剂的作用。 半导体敏化太阳能电池从极低的转化效率迅速发展到接近4-5%。 另一方面，半导体材料构成了控制了能源市场-光伏器件的基础。当这些材料变成纳米尺度时，由于量子限制效应，出现了新的和奇特的性质。此外，块体材料的某些性质，如高吸光系数在在纳米尺度时仍然保留。 半导体量子点(QDs)具有大的固有偶极矩，它们的带隙可以通过尺寸和形状来调节，这一特性为吸光材料的纳米设计提供了一个极好的工具。更为重要的是，半导体量子点或薄膜的生产比块体便宜，它们的合成温度更低，并且可以采用液相方法。从这个意义上说，半导体量子点是发展敏化太阳能电池的优秀材料。 使用半导体作为增敏剂可以追溯到上世纪90年代。然而，直到最近几年，由于很多因素半导体敏化太阳能电池SSC才又被重视：纳米技术的发展使得半导体量子点和薄膜的制备及表征变得容易；染料敏化太阳能电池DSC的许多实验结果可应用到半导体敏化电池。所以，这种器件目前受到越来越多的研究小组重视。
光子晶体是一种人造微结构,它的晶格尺寸与光波的波长相当,是晶体晶格尺寸的1000倍。光子晶体的制作具有相当大的难度,根据适用的波长范围,制作技术也不同。此外,还需要引入缺陷态,因此,制作过程往往需要采用多种技术才能完成。 1.精密加工法 Ames实验室证实了金刚石结构的光子晶体具有很大的带隙后, Yablonovitch等人便采用活性离子束以打孔法制造了第一块具有完全光子带隙(photonic band gap, PBG)的三维光子晶体。他们采用反应离子束刻蚀技术在一块高介电常数的底板表面以偏离法线35.26°的角度从3个方向钻孔,各方向的夹角为120°。但是,当孔钻得较深,并彼此交叉时,孔会产生位置偏离,从而影响其周期性结构。 Ho等提出了木堆结构(Woodp ile Structure) ,即用介电柱的多层堆积形成完全带隙的介电结构。Ozbay等用铝棒堆积成Woodpile结构,其缺点是工艺比较繁琐,且结构的周期准确性难以保证。Ozbay等又发展了逐层叠加结构(Layer- by-layer Structure) ,即先制造出各向异性的二维Si/SiO2 层状结构,然后以Woodp ile结构的周期结构形式进行逐层叠加,即四层形成一个周期。通过层叠 法和半导体工艺的结合,使得设计出的光子晶体具有禁带宽、带隙可达到红外及近红外区的优点。由于是以半导体工业成熟的技术为基础,精密加工法是制备光子晶体最为稳定可靠的方法。然而其工艺复杂、造价昂贵,并且受现有半导体技术水平的限制,若要制备更小波长尺度的三维光子晶体、晶体掺杂以及缺陷引入等方面却存在着很大的挑战。 2.胶体晶体法 早在1968年, Kriger等人就发现了由乳液聚合得到的聚苯乙烯胶乳(50～500nm)在体积分数超过35%时出现蛋白石特有的颜色。蛋白石是一种具有不完全带隙的光子晶体,其独有的颜色是由可见光的布拉格衍射产生的。由于胶体晶体的晶格尺寸在亚微米级量级,它可望成为制造近红外及可见光波段三维光子晶体的一条有效途径。 在溶液中,胶体颗粒小球表面带有电荷,在适当的电荷密度和颗粒浓度下,通过静电力相互作用,小球自组织生长成周期性结构,形成胶体晶体。在毛细容器中,利用胶粒与带电玻璃器壁的静电力相互作用。当胶粒体积分数较高时,胶体悬浮颗粒以面心立方( FCC)点阵堆积; 当体积分数较低时,倾向于体心立方(BCC)点阵堆积,晶体的密排面平行于器壁表面。 目前,已经制备的胶体晶体多为聚苯乙烯乳胶体系和二氧化硅胶体颗粒体系。遗憾的是它们不具备高的介电比和合适的网络拓扑结构,因而并不能产生完全光子带隙。为了提高介电比,可以将胶体晶体小心脱水,得到紧密堆积的蛋白石结构。 3.反蛋白石结构法 反蛋白石结构是指低介电系数的小球(通常为空气小球)以面心立方密堆积结构分布于高介电系数的连续介质中,这种结构将有望产生完全能隙。1997年Velev等人首先用经阳离子表面活性剂CTAB浸泡过的聚苯乙烯颗粒形成的胶体晶体为模 板,合成了含三维有序排列的空气球的二氧化硅反蛋白石材料。主要采用模板法,具体操作为:以颗粒小球所构成的紧密堆积结构为模板,向小球间隙填充高介电常数的Si, Ge, TiO2等材料,然后通过煅烧、化学腐蚀等方法将模板小球除去,得到三维空间的周期结构。Vlasov等人
以平面波展開法分析光子晶體能帶結構 廖淑慧講師 中州技術學院電子工程系 黃坤賢學生 黃照智學生 中州技術學院電子工程系 摘要 光子晶體的主要特色在於所謂的光子能隙—電磁波無法在能隙中傳播。雖然三維的光子晶體被認為是最具應用潛力的，但是二維光子晶體的結構在製程上卻佔有較易製作的優勢，所以在光電元件裝置及相關研究領域上亦廣為使用。我們使用平面波展開法，分別計算一維和二維光子晶體的能帶結構。根據理論分析的結果，我們發現一維光子晶體無論介電常數差異如何，總是存在著光子能隙。對於二維正方晶格的結構計算，我們發現正方晶格對TM波有能隙，對TE波則無。 關鍵詞: 光子晶體，光子能隙，平面波展開法 壹﹑前言 當半導體中的電子受到晶格的週期性位勢(periodic potential)散射時，部份波段會因破壞性干涉而形成能隙(energy gap)，導致電子的色散關係(dispersion relation)呈帶狀分佈，此即所謂的電子能帶結構(electronic band structure)。西元1987年，E. Yablonovitch 與S. John不約而同地提出相關見解[1][2]，說明類似的現象亦存在於所謂的光子系統中。根據他們提出的研究報告顯示，在介電係數呈週期性排列的三維介電材料中，電磁波被散射後，某些波段的電磁波強度將會因破壞性干涉而呈指數衰減，無法在該材料內傳遞，這樣的現象相當於在對應的頻譜上形成能隙，因此，色散關係也具有帶狀結構，此即所謂的光子能帶結構(photonic band structure)。這種具有光子能帶結構的介電物質，就稱為光子晶體(photonic crystal)。 事實上，在三維光子能帶結構的概念尚未被提出之前，科學家們對於一維的光子晶體(層狀介電材料) 的研究早已行之多年。電磁波在一維的光子晶體中的干涉現象早已應用在各種光學實驗以及相關的應用產品之中，例如作為波段選擇器、濾波器、繞射光柵元件或反射鏡等。因為科學界一直未能以「晶格」的角度來看待週期性光學材料，所以遲遲未能將固態物理上已發展成熟的能帶理論運用在這方面。直到1989年，Yablonovitch與Gmitter首次嘗試在實驗上證明三維光子能帶結構的存在[3]，終於引起相關研究領域的注意，並且開始大舉投入這方面的研究。
Material Sciences 材料科学, 2018, 8(5), 471-481 Published Online May 2018 in Hans. https://www.doczj.com/doc/ef2555980.html,/journal/ms https://https://www.doczj.com/doc/ef2555980.html,/10.12677/ms.2018.85053 Progress of Surfaces with Stimuli-Responsive Wettability Han Zhang1, Danyuan Li2, Yongmao Hu2, Shuhong Sun1, Yan Zhu1* 1Kunming University of Science and Technology, Kunming Yunnan 2Dali University, Dali Yunnan Received: Mar. 23rd, 2018; accepted: May 7th, 2018; published: May 14th, 2018 Abstract Stimuli-responsive wettability means that the surface wettability can vary with environmental stimuli such as temperature, solvent, electric field, pH or light. Due to the special properties, sur-faces with stimuli-responsive wettability have great prospects in chemical engineering, medical treatment and agriculture. In this article, we summarize the research progress on surfaces with stimuli-responsive wettability. Keywords Stimuli-Responsive, Wettability, Smart Surface 外界刺激引发表面润湿性变化的研究进展 张瀚1，李丹媛2，胡永茂2，孙淑红1，朱艳1* 1昆明理工大学，云南昆明 2大理大学，云南大理 收稿日期：2018年3月23日；录用日期：2018年5月7日；发布日期：2018年5月14日 摘要 刺激响应润湿性是指通过在表面构建可根据环境刺激而产生形态结构改变、表面化学基团转换、表面孔洞填充情况变化的结构，使表面原有的润湿性发生改变，进而表现出刺激响应性的润湿变化。根据环境刺激的类型可以分为以下几类：温度响应、溶剂响应、电场响应、pH值响应和光响应刺激润湿性。刺激*通讯作者。
蛋白石及反蛋白石结构光子晶体 王振领 林 君* (中国科学院长春应用化学研究所稀土化学与物理重点实验室 长春 130022) 王振领 男,30岁,博士生,现从事溶胶-凝胶及发光的研究。 *联系人,E-mail :jlin @https://www.doczj.com/doc/ef2555980.html, 2003-12-23收稿,2004-02-20接受 摘 要 光子晶体是由不同介电常数的材料构成的一种空间周期性结构,它能够在特定方向上禁 阻、控制和操纵光子的运动。目前,已制备的光子晶体具有几种不同的结构类型,本文主要综述了蛋白石、反蛋白石结构光子晶体的制备方法及其光子带隙的影响因素。 关键词 蛋白石 反蛋白石 光子晶体 光子带隙 Opal and Inverse Opal Photonic Crystals Wa ng Zhenling ,Lin Jun * (Key La bo ra tor y o f Rar e Ea rth Chemist ry a nd Phy sics,Cha ng chun Institute o f Applied Chemist ry , Chinese Academy of Sciences ,Cha ng chun 130022,China ) Abstract Pho to nic c ry sta l is a spatia lly periodic structure fa bricated f ro m mate rials having differe nt dielectric co nsta nts.It pr ovides a co nv enient and pow er ful to ol to co nfine,co ntro l,and manipula te pho tons in special dimensio n of space.Photo nic cry sta ls w ith sev eral differ ent structures hav e bee n pr epa red at present.In this paper the me tho ds for the pr epa ration o f o pal a nd inv erse o pa l pho to nic cr ystals and effects o n its pho tonic band g ap a re r ev iew ed briefly . Key words O pal ,Inv er se opal ,Pho tonic cr ystals ,Pho tonic band g ap 1987年,Yablonovit [1]和John [2]分别提出了光子晶体(PC),即具有光子带隙的周期性电介质结构的概念。光子带隙是光子晶体最主要的特征之一[3],当两种材料的介电常数相差足够大时,在电介质界面上会出现布拉格散射,产生光子带隙,能量落在光子带隙中的光将不能传播。光子带隙又可分为完全带隙和不完全带隙,所谓完全带隙,是指光子带隙结构中能够延伸至整个布里渊区(布里渊区是指在波失空间中的一些特定的区域,可以用描述电子能带结构的布里渊区来描述光子 的能带结构)的带隙:不完全带隙也称准带隙或抑制频带,是指只有在特定的方向上才有的带隙[4]。 光子局域是光子晶体的另一个特征,如果在光子晶体中引入某种缺陷,和缺陷态频率吻合的光子可能被局域在缺陷位置或只能沿缺陷位置传播[3]。依据光子带隙空间分布的特点,可以将光子晶体分为一维(1D )光子晶体、二维(2D )光子晶体和三维(3D )光子晶体[5]。 正如对半导体材料的研究导致电子工业的革命一样,对被称为“光子晶体”的一类新材料的研究可能会导致在光子技术领域的革命,在这场革命中,光子而不是电子将作为信息传递的主要载体[6]。当前光子晶体应用方面的研究工作主要集中在光子晶体反射器件、光子晶体发光二极管、光子晶体滤波器、光子晶体光纤、低阈值激光器等几个方面[7] 。光子晶体能否尽快地实用化,关键在于 光子晶体制备技术的发展。目前,制备光子晶体主要有三种方法[8]:微机械法、全息照相光刻蚀· 876·化学通报 2004年第12期 ht tp ://ww w .hx tb .o rg DOI:10.14159/https://www.doczj.com/doc/ef2555980.html, k i .0441-3776.2004.12.002
生物体中的结构色 专业：材料科学与工程学号：1120102282 姓名蒋雯 摘要：本文围绕生物体中的结构色这一主题广泛查阅资料后，对颜色及产生机理的基本知识做了简要介绍，进而详细叙述了结构色的产生机理、研究现状，还对自然界生物体中存在结构色的微结构及成色机理进行了详细的解释。最后，根据综述文献时受到的启发，作者提出了有创新性的几点设想，希望未来成为现实。 关键词：结构色；纳米结构；薄膜；光栅；光子晶体； 1 颜色及产生机理 在进行自然界中的结构色的讨论以前，我们有必要先了解颜色的有关知识以及它的产生机理。 颜色是由光产生的，但光并没有颜色，它只是具有某一或混合频率的电磁波。事实上，颜色是指入射到眼睛中的光线引起视网膜上感光细胞的膜中化学变化，产生电信号，这个信号经过视神经传输到大脑的视觉中心，给大脑翻译产生的结果。对于人类来说，可见辐射波长在380nm到780nm之间，如图1所示。生活中，我们感知的某种色调的色光，既取决于这种色光在可见光辐射波长区中占主要能量的那一部分辐射能量，也还取决于眼睛的视觉灵敏度[1]。 图1 电磁波谱分布图
颜色可分为彩色和非彩色两类。非彩色指白色、黑色和各种深浅不同的灰色组成的系列。彩色是指白黑系列以外的各种颜色。彩色有三种特性：明度、色调和饱和度。明度是人眼对物体明暗的感觉；色调是彩色彼此相互区分的特性；饱和度是指彩色的纯洁性。用一个三维空间纺锤体可以将颜色的三个基本特征——明度、色调、饱和度表示出来，如图2。立体的垂直轴代表白黑系列明度的变化；圆周上的各点代表光谱中各种不同的色调；从圆周向圆心的过渡表示饱和度逐渐降低[1、2]。 图2 彩色的三种特性示意图 根据以上的介绍，我们可知颜色是一个主观的颜色感知和客观的物理刺激相结合的产物。 1983年，美国科学家Kurt Nassau总结了15种可使某种物体被赋予色彩的方式，东华大学宋心远教授按照种类将这15种产生颜色的方法重新归类为5种：（1）电子的振动和简单激发，例如火焰、闪电以及碘等的颜色效应；（2）电子配位场效应的跃迁，如红宝石、祖母绿、绿松石以及各种金属络合染料中的金属络合颜色效应；（3）电子在分子轨道间的跃迁，如绝大多数有机染料和一些无机物的颜色效应；（4）电子在能带中的跃迁，如有色金属、半导体以及色心（紫晶、烟水晶）的颜色效应；（5）几何和物理光学效应，即色散、折射、散射、干涉和衍射的颜色效应。总结起来，即化学染色和物理生色[2]。 2生物体结构色研究现状
聚苯乙烯基凝胶光子晶体的制备 光子晶体(photonic Crystal)是一种介电常数可以周期性调制的结构,是在二十世纪八十年代末发展起来的一种全新的功能材料。介电常数不同的介 质材料在空间中作周期性排列,可以改变在其间传播的光的性质。近年来,利用 胶体晶体自组装性质与水凝胶的传统应用相结合制成的凝胶光子晶体在药物释放、光学开关、金属探针、生物传感器等新应用方面的研究蓬勃发展,在新材料开发及临床应用等方面取得巨大进展。本论文主要通过选择制备方法和控制工 艺条件,制备了两种光子晶体的组成单元-单分散聚苯乙烯微球和聚苯乙烯/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸复合微球。主要研究内容包括以下两个部分:第一部分,系统完整地考察和总结了聚苯乙烯的合成方法、合成路线、合成配方和反应条件,确立了适用于本实验室的单分散聚苯乙烯微球的制备方法,得到了高圆度、 窄粒径分布的单分散聚苯乙烯微球,能够满足形成可见光波段胶体晶体的要求。然后,对于制备的单分聚苯乙烯微球,采用垂直沉积法自组装成面心立方晶体周 期性结构。利用光纤光谱仪研究了面心立方胶体晶体的不完全光子带隙效应,利用场发射扫描电镜观察了胶体晶体的结构特点和缺陷情况。通过反射光谱图和 扫描电镜照片判断、确定和优化了乳液聚合法主要制备工艺参数。最后,采用毛细力渗透法对聚苯乙烯微球组装的模板表面填充了含有2-丙烯酰胺基-2-甲基 丙磺酸功能单体的前驱液,待前体溶液交联聚合后,用溶剂溶解法除去模板后制 得带有磺酸基功能基团的反蛋白石结构凝胶光子晶体。该反蛋白石结构凝胶光 子晶体表现出鲜艳的结构颜色,保持了长程有序的周期性结构,并对Ca~(2+)具 有较强的吸附性,且Ca~(2+)的吸附量随着2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸功能单 体含量的增大而增大。第二部分,利用2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸对聚苯乙烯 胶体晶体进行改性。采用湿化学方法,建立了在聚苯乙烯微球表面包覆功能单体的方法,优化了单分散聚苯乙烯/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸微球的制备方法。扫描电镜表征结果表明,单分散聚苯乙烯/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸微球的粒径分布较均匀,能够实现初步胶体晶体自组装。 同主题文章 [1]. 袁凤乔. 2004年中国聚苯乙烯市场分析' [J]. 广东化工. 2005.(01) [2]. 王秀兰. 美国聚苯乙烯厂商苦苦挣扎' [J]. 工程塑料应用. 2002.(09) [3]. 黄衮威. 透明聚苯乙烯变色抑制剂' [J]. 合成材料老化与应用. 1986.(02) [4]. 张德秀. 我国苯乙烯现状和发展' [J]. 精细与专用化学品. 1992.(10) [5]. 董季苓. 耐磨聚苯乙烯的研制' [J]. 石化技术与应用. 1988.(01)