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
调节和易实现完全光子带隙,而且比较方便实现光子禁带的多重调制和功能化。目前,反蛋白石晶体的研究领域已经大大拓宽,在可调制光子晶体、仿生学、生物检测等方面得到了广泛的应用。
1 反蛋白石晶体的制备
如前所述,反蛋白石晶体通常采用胶体晶体模板法制备,因此,反蛋白石结构的微观形貌取决于模板的质量。目前制备胶体晶体模板的比较精确方法是提拉法[5～8],它能精确控制三维胶体晶体的厚度以及带隙反射强度。
图2 提拉法制备胶体晶体装置(a)与不同厚度胶体晶体反射光谱(b)
Fig.2 Outli ne of the device for colloidal crys tal fabrication(a)and reflection
s pectra of colloidal crys tal fi lms with di fferent thickness(b)
选择模板要注意的是,胶体晶体的带隙与胶体粒子材料本身的吸收峰要有一定的距离,否则会产生干扰。根据介质填充的手段,模板法制备反蛋白石晶体的方法可以归类为以下几种。
1.1 直接填充法
直接填充法是将待填充物质的溶液直接滴加于胶体晶体膜之上,通过胶体晶体内部空隙的毛细管作用力使其向内部渗透、填充,待溶剂挥发之后,介质便填充于胶体微球空隙中,去除胶体微球之后便得到反蛋白石结构。这种方法成本低廉,操作简单,但缺点是填充往往不够充分。实际运用过程中要考虑到介质与模板的浸润性,如果摸板材料与待填充物质的浸润性不一致,可以先进行表面修饰改性。
1.2 液相化学反应法
有机单体聚合法是常用的制备聚合物反蛋白石光子晶体的方法。将有机单体渗入到蛋白石晶体的空隙中,用紫外光照射、热处理或加入引发剂使空隙中的有机单体发生聚合、交联,在去除模板后即可得到具有反蛋白石晶体结构的聚合物膜材料。
溶胶凝胶法也是常用的液相化学反应法,主要是用来制备无机氧化物或金属反蛋白石晶体结构。溶胶凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体,在液相下将这些原料均匀混合,填充之后进行水解、缩合反应,形成稳定透明的溶胶体系,溶胶经陈化形成三维空间网络结构的凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化,除去模板后得到反蛋白石晶体结构。通常采用的前驱物是金属醇盐。
液相化学反应法条件温和、设备简单,但后续过程中的很多因素会导致材料收缩较大,充填率较低。
1.3 气相沉积法
传统的气相沉积法是利用气态的前驱反应物通过原子分子间物理化学反应来生成固态薄膜的技术,有化学气相沉积(C VD)和物理气相沉积(PVD)两种。使用较多的CVD法是把气态的前驱反应物通过气相反应-沉积的原理沉积在基底上。这种方法的最大优点是可以通过调节沉积时间和气相分压来控制沉积的厚度,填充比较均匀,填充率较高,速度快;缺点是需要高温、设备比较复杂。
目前发展了一种新的气相沉积法———原子层沉积法(ALD),它是通过将气相前驱体交替脉冲地通入反应器并化学吸附在基底上后反应形成沉积膜的一种方法。这种方法速度较慢,但是最大的优点是层状生长,所需温度较低,并且能同时交替沉积不同的材料;产物杂质少,可以控制沉积的厚度在几个nm。另外,这种方法还可以通过气相沉积,有目的地在光子晶体中引入缺陷。
1.4 电沉积法
将具有蛋白石结构的模板直接放在电化学池的阴极上,在电场作用下,一些半导体材料(如CdSe, CdS)能沉积到蛋白石结构的空隙。由于电沉积法的生长方式是从内到外的,所以比较适合填充像反蛋白石这种复杂的拓扑结构。该法的优点是快速、充填率高,但电沉积的最大困难是模板内部孔隙会造成电沉积层的厚度不均匀,其它高折射系数的半导体材料是否适用尚待进一步研究[1]。
2 反蛋白石晶体的应用
2.1 光子晶体与可调制光子晶体
由于很难得到高折射率材料的胶体粒子,因此,通过制备反蛋白石晶体然后填充高折射率的介质是制备完全光子晶体的一个重要途径。2000年Blanco等[10]在反蛋白石晶体的空隙中沉积硅元素,大规模制备了三维完全光子晶体。同时,也可以通过这种方法制备不同带隙的非密堆积反蛋白石光子晶体[9],即通过气相沉积等方法在反蛋白石晶体中沉积不同的物质,控制填充率改变反蛋白石结构中两种材料的比率f(面心立方结构反蛋白石的f=0.26),从而得到不同光学性质的反蛋白光子晶体。Graugnard 等[11]通过引入牺牲层的原子层沉积法,制备了高质量的可调TiO2非密堆积反壳蛋白石(inverse-shell opals)晶体结构(图3)。
图3 引入牺牲层的原子沉积的示意图(a)与制备过程中反射光谱的变化[11]
Fig.3 Sketch map of Sacrificial-Layer atomic layer deposition(a)and evolution
of the reflection spectra during the fabrication stages(b)[11]
反蛋白石晶体用于可调制光子晶体的另外一个常用策略是通过向反蛋白石晶体中填充可调制的物质。Gu等[12～14]成功制备了填充液晶的反蛋白石晶体,由于液晶可以多重响应,通过对液晶取向的控制,可以实现光子晶体禁带的电、光调控。如果反蛋白石结构材料具有延展性,也可以通过机械拉伸来实现禁带的调制[15]。
可调制光子晶体的另外一个研究热点是实现完全光子带隙的开关,Ruhl等[16]以一种核壳结构SiO2PMMA的单分散粒子做模板,然后通过C VD法填充TiO2,再通过灼烧去除聚合物,制备了双层反蛋白石光子晶体(double-inverse-opal photonic crystals),这种结构的特点是每个反蛋白石的空气孔洞中含有SiO2小球(图4)。由于弱散射的SiO2小球在反蛋白石空隙中是随机分散的,导致结构中折射率的变化不规则,所以这种结构的光子晶体的禁带很弱,如果再向其中填充折射率与SiO2小球(n=1.44)匹配的
介质,例如水,形成了折射率规则分布的光子晶体,就会出现了典型的光子带隙,从而实现了光子禁带的开与关,如图5所示。
图4 SiO 2-Ti O 2双层反蛋白石晶体结构的示意图[16]
Fig .4 Sketch map of structure of titania -s ilica dou ble -invers e -opal
图5 SiO 2-Ti O 2双层反蛋白石光子晶体填充水前后的光学特性[16]
Fig .5 Optical characterization of titania -silica double -inverse -opal not infiltrated an d infiltrated with waterST BZ 〗
[16]在可调制光子晶体领域,反蛋白石晶体结构的研究非常活跃,结构形状不仅仅局限于球形孔洞,很多特殊形状的反蛋白石晶体结构也已经可以制备,它们可以同时具备多个光子带隙。最近,Xie 等[17]利
用反蛋白石晶体微结构对液晶分子排列取向的诱导作用,制备得到了可调制的双折射光子晶体。2.2 生物检测
用生物材料制备反蛋白石晶体结构,利用反蛋白石晶体的可调制性质,结合生物分子之间的亲合反应,实现了生物检测功能。Cassa gneau 等[18]采用PS 胶体晶体为模板,以噻吩与3-羟甲基噻吩的共聚物为填充材料,然后与维生素H (biotin )脂化键合,这种反蛋白石晶体结构可以作为抗生物素蛋白Avidin (8nm ×8nm ×8.5nm )的识别矩阵,如图6所示。当这种蛋白石结构与Avidin 发生作用时,由于蛋白Avidin 是一个立体分子,所以就会导致反蛋白石晶体的空隙几何形貌发生变化,从而导致反蛋白石晶体的反射峰发生改变,由此可以通过此反蛋白石光学性质的改变来实现生物传感与原位无损检测。同时,由于反蛋白石晶体的制备材料比较广泛,因此,人们可以针对不同的目标检测分子,制备不同的反蛋白石晶体,拓展了反蛋白石光子晶体结构在光子检测领域的应用前景。
图6 反蛋白石晶体结构检测Avi di n蛋白的示意图(a)与反蛋白石晶体与抗生物素
蛋白作用后光谱的变化(b)[18]
Fig.6 Schematic representation of avidin detection through inverse opal(a)and
reflection s pectra evolution of inverse opal during binding with avidin(b)[18]
2.3 表面亲疏水材料
近年来,新型表面材料引起人们越来越大的兴趣。例如光控亲疏水材料,对于生物模拟、传感、微流体通道有着重要的作用。Ge等[19]在SiO2反蛋白石晶体结构的表面通过静电LB L(la yer-by-layer)自组装引入侧链偶氮高分子,通过紫外光的照射,偶氮基团发生反式-顺式(trans-cis)的转变,异构引起表面分子偶极矩发生改变,从而导致表面能发生变化,实现了界面亲疏水的转变。由图7可以看出,紫外光的照射使材料的接触角发生很大的改变。
图7 偶氮基团在紫外光照射下trans-cis的转变以及对应的吸收光谱(a)与紫外光照射下反蛋白石晶体亲疏水性质的变化(b)[19] Fig.7 Trans-cis isomerization of azo-group under UV light irradiation and corresponding evolution of absorption spectra(a)and wetting property evolution of inverse opal surface under UV-Vis light irradiation(b)[19]
自然界很多生物的特性与反结构有关,例如莲花的自清洁效应、蝴蝶翅膀的颜色缤纷多彩等。受此
启发,Gu等[20,21]利用反蛋白石构建了一个结构色与润湿性同步变化的系统。
另外,固体物理中的许多概念都可用在反蛋白石光子晶体上,例如可以制备高分子半导体的反蛋白石晶体,或者在反蛋白石晶体结构中沉积无机半导体材料来制备反蛋白石晶体结构的半导体,通过控制反蛋白石晶体的形貌,实现对半导体特性的调控,同时可以通过光子检测半导体的性质。
3 结语
与蛋白石晶体相比,由于材料选择设计的广泛性以及容易负载多重功能的特性,反蛋白石光子晶体的研究领域不断扩大,在光子晶体、界面功能材料、传感检测等方面有着很多潜在的应用价值。此外,反蛋白石晶体中典型球形结构也向多种结构演变,极大地推动了反蛋白石晶体的应用研究[22]。制约反蛋白石结构应用的主要问题在于其制备过程,胶体晶体模板法虽然易于操作,但是影响因素较多,例如模板材料的浸润性、固化过程中材料的体积收缩等。而且,制备过程中的微小因素都将会造成反蛋白石结构的缺陷,导致光子带隙的改变。制备大面积高质量的反蛋白石结构是目前面临的挑战。
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韩国志
1972年9月生于江苏高邮
1996年毕业于东南大学化学化工系本科
2004年获东南大学环境工程系硕士学位
2004～2008年于东南大学生物医学工程
系攻读博士学位
现任教于南京工业大学理学院应用化学系
从事液晶与光子晶体研究
Email:hangz99@https://www.doczj.com/doc/5616010959.html,
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
一、绪论 1.1光子晶体的基本概念 光子晶体是由不同介电常数的介质材料在空间呈周期排布的结构，当电磁波受到调制而形成类似于电子的能带结构，这种能带结构称为光子能带。在合适的晶格常数和介电常数比的条件下，类似于电子能带隙，在光子晶体的光子能带间可出现使某些频率的电磁波完全不能透过的频率区域，将此频率区域称为光子带隙或光子禁带。人们又将光子晶体称为光子带隙材料。 与一般的电子晶体类似，光子晶体也有一维、二维、三维之分。一维光子晶体是介电常数不同的两种介质块交替堆积形成的结构。实际上，一维光子晶体已经被广泛应用，如法布里-珀罗腔光学多层的增反/透膜等。二维光子晶体是介电常数在二维空间呈周期性排列的结构。 光子晶体中存在光子禁带的物理机理是基于固体物理的布洛赫理论。 1.2光子带隙 光子在光子晶体中的行为类似于电子在半导体晶体中的行为，通过独特的光子禁带可改变光的行为。研究表明，光子带隙有完全光子带隙与不完全光子带隙的区分。所谓完全光子带隙，是指在一定频率范围内，无论其偏振方向及传播方向如何，光都禁止传播，或者说光在整个空间的所有传播方向上都有能隙，且每个方向上的能隙能互相重叠。所谓不完全光子带隙，则是相应于空间各方向上的能隙并不能完全重叠，或只在特定的方向上有能低折射率的介质在晶格中所占比率以及它们在空间的排列结构。总的来说，折射率差别越大带隙越大，能够达到的效率也就越高。 二、光子晶体的晶体结构和能带结构特性研究 2.1一维光子晶体的传输矩阵法 设一维光子晶体由两种材料周期性交替排列构成，通常称一维二元光子晶体，类似固体能带理论中的Kroning-penney模型，在空气中由A、B薄层交替构成一维人工周期性结构材料，其中A材料的折射率是na，厚度为ha，B材料的
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
深圳大学研究生课程论文题目光子晶体及其器件的研究进展成绩 专业 课程名称、代码 年级姓名 学号时间2016年12月 任课教师
子晶体及其器件的研究进展 摘要：光子晶体是一种具有光子带隙的新型材料，通过设计可以人为调控经典波的传输。由 于光子晶体具有很多新颖的特性，使其成为微纳光子学和量子光学的重要研究领域。随着微加工技术的进步和理论的深入研究，光子晶体在信息光学以及多功能传感器等多个学科中也得到了广泛应用。本文介绍了光子晶体及其特征，概述了光子晶体器件的设计方法和加工制作流程，论述现阶段发展的几种光子晶体器件，并对光子晶体器件的发展趋势做了展望。 关键词：光子晶体；光子晶体的应用；发展趋势 Research progress of photonic crystals and devices Abstract：Photonic crystal is a new material with photonic band gap, which can regulate the transmission of classical wave artificially. Because it has many novel properties of photonic crystal, which is becoming an important research field of micro nano Photonics and quantum optics. With the progress of micro machining technology and theoretical research, photonic crystals have been widely used in many fields such as information optics and multifunction sensors. This paper introduces the photonic crystals and its characteristics, summarizes the design method and process of the photonic crystal devices in the production process, discusses several kinds of photonic crystal devices at this stage of development, and the development trend of photonic crystal devices is prospected. Key words：Photonic crystal; application of photonic crystal; development trend 1引言 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。目前半导体技术正向着高速化和高集成化方向的发展，不可避免地引发了一系列问题。当信息处理的频率和信号带宽越来越高时，通过金属线传输电子会带来难以克服的发热问题和带宽限制；而线宽减小到深纳米尺度时，相邻导线的量子隧穿效应成为电子器件发展的重要瓶颈。这迫使人们越来越关注光信息处理技术，并尝试用光器件来替代部分传统电子器件，以突破上述瓶颈限制。实现这一目标的关键在于如何将光子器件尺寸降低至微纳米量级，并能与微电子电路集成在同一芯片上。 目前比较有效的方法有三种：纳米线波导，表面等离子体和光子晶体。其中，光子晶体具有体积小、损耗低和功能丰富等多种优点，被认为是最有前途的光子集成材料，称为光子半导体[1]，它是1987年才提出的新概念和新材料。这种材料有一个显著的特点是它可以如人所愿地控制光子的运动。由于其独特的特性，光子晶体可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光学器件，在光通讯上也有重要的用途，如用光子晶体器件来替代传统的电子器件，信息通讯的速度快得
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。
光子晶体的最新研究进展 （学号：SA12231016 姓名：陈飞虎） 摘要：光子晶体（Photonic Crystal）是在1987年由S.john[1]和E.Yablonovitch[2]分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。在这二十多年的发展当中，光子晶体已在光通信技术、材料科学和激光与光电子学等方面都取得了相应的进展。本文阐述了光子晶体在各方面所取得的相应进展，并探讨光子晶体在各个领域的最新研究状况。 关键词：光子晶体研究进展 1 引言 自光子晶体这一概念提出以来，它就成为各个学科领域的科学家们关注的热点。光子晶体(Photonic crystals)材料又称为光子带隙(Photonic band gap,PBG)材料,指介电常数(折射率)周期性变化的材料。电子在固态晶体的周期性势垒下能形成电子带隙,光子晶体的周期性晶格对光的布拉格散射可以形成光子带隙, 频率处在光子带隙中的光被禁止进入光子晶体。若光子晶体中某个地方不满足周期性,即引入了缺陷,禁带中就会出现缺陷态,缺陷态具有很高的光子态密度。采用各种材料,设计不同的光子晶体结构和引入不同的缺陷类型以及缺陷组合,可以制作出功能和特性各异的微纳光子器件。因光子晶体具有光子带隙和光子局域两大优越特点，所以它在发光二极管、多功能传感器、光通讯、光开关、光子晶体激光器等现代高新技术领
域[3-4]有着广泛应用。当前所制备的光子晶体大多不可调，但对于可调制光子晶体的带隙可以调控，电介质的折射率和光子晶体的晶格常数决定了光子带隙的宽度和位置，故改变外部环境，如加电场、磁场、压力或温度等，均能对光子禁带进行调制。因此可调控的光子晶体成为各个应用领域的研究热点和方向。 2 光通信技术方向的研究进展 传统波导利用的是全内反射原理，当波导弯曲较大时，电磁波在其中的传播不再符合全反射原理，以至于弯曲损耗较大。而光子晶体波导采用的是不同方向缺陷模共振匹配原理，因而光子晶体波导不受转角限制，有着极小的弯曲损耗。理论上，当波导弯曲 90°时，传统波导会有 30％的损失，而光子晶体波导的损耗只有 2%[5]。另外，光子晶体波导的尺度可以做得很小，达到波长量级；因此，光子晶体波导不仅在光通信中有着十分重要的应用，在未来大规模光电集成、光子集成中也将具有极其重要的地位。 光子晶体光纤(PCF) 由于它的包层中二维光子晶体结构能够以从前没有的特殊方式控制纤芯中的光波,使其具有诸多优异的光学特性,如无截止单模传输特性、可调节的色散特性、高双折射特性、大模面积和高非线性特性等,因此PCF的研究一直是光通信和光电子领域科学家们关注的热点。目前，世界各国对PCF的研究如火如荼,在PCF的色散、带隙、非线性特性及应用方面均有了长足进展。PCF的
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
Material Sciences 材料科学, 2018, 8(5), 471-481 Published Online May 2018 in Hans. https://www.doczj.com/doc/5616010959.html,/journal/ms https://https://www.doczj.com/doc/5616010959.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。
近两年光子晶体研究的进展 许文贞 vincent.xu.chn@https://www.doczj.com/doc/5616010959.html, 光子晶体以及光子能带结构等概念早在1987年分别由E. Yablonovitch和S. John分别独立地提出，并且在随后的1990年和1991年分别实现了理论预言和成功实验制备第一个有完整光子带隙的光子三维晶体，发展至今光子晶体在理论、实验和应用研究方面取得了很大的进展。光子晶体（Photonic Crystals）是一种介电常数（或折射率）周期性排列的有序结构物质，也即一种在高折射率材料的某些位置周期性出现低折射率的材料。其最根本的特征是正由于那些周期性的折射率结构产生了光子禁带，因此频率处于禁带内的光子将无法传播，就像半导体材料中的电子在周期性势场作用下形成能带结构，因此光子晶体实现了对光子的控制。 光子晶体的应用主要是基于它的两个基本特性：抑制自发辐射和光子局域态。正由于光子晶体的这两个优势，而且光子与电子相比具有更多的信息容量、更高的效率、更快的响应速度、更强的互连能力和并行能力、更大的存储量、更低的能量损耗，所以，在半导体器件的进一步小型化和在减小能耗下提高运行速度成为难题后，人们提出了用光子作为信息载体替代电子的设想。因此当今有关光子晶体的研究得到了广泛的关注，它在零阈值激光器、光波导、发光二极管、偏振片、滤波器等方面显示了巨大的应用价值。发展至今，光子晶体这研究领域中比较热门的方向有三维光子晶体及薄膜的制备技术、可调光子晶体、光子晶体光纤、纳米光子晶体、磁性光子晶体等。本文主要集中在对三维光子晶体、光子晶体光纤两方面近两年来进展的介绍。 1. 三维光子晶体 光子晶体根据能隙空间分布的特点可分为一维(1D)光子晶体、二维(2D) 光子晶体和三维(3D) 光子晶体。光子晶体是一种人造晶体，自然界里几乎不存在。蛋白石是迄今为止发现的唯一的天然光子晶体，它是属于三维光子晶体。而且三维光子晶体能产生全方向的完全禁带，相比一维、二维光子晶体仅能产生方向禁带，因此三维光子晶体具有更普遍的实用性，占据了光子晶体研究中很大的份额。 由于天然光子晶体的稀缺，因此在光子晶体的研究中光子晶体的制备是主要的，而且是最难的一方面。因为对于光子晶体来说，光在晶体中的传输就要求晶体的周期性晶格尺寸达到亚微米量级，因此这给了晶体制备带来了很大的难题，尤其是近红外到可见光波段的三维光子晶体的制备。目前，一般三维光子晶体的制备的一种简单切实可行的方法是利用单分散的胶体颗粒悬浮液的自组装特性来制备胶体晶体。这种方法的制备可通过以下几种途径组装制备(4)：重力场下的组装、垂直沉降法、离心力场下的组装、电场下的组装、模板法等。但是这种晶体生成方法主要还是生成简单媒质简单周期的光子晶体。经过多年的研究，光子晶体制备技术上以器件化为指导，逐步由简单媒质简单周期向复杂媒质复合周期结构方向发展，由胶体模板自组装等纯化学制备手段向物理化学方法相融合的多元技术扩展，而且应用领域也不断扩宽，由光电子器件、集成光路进一步拓展到光电对抗、光学探测、传感等。
光子晶体的应用及其发展前景 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.Yallonovitch 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
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/5616010959.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/5616010959.html, k i .0441-3776.2004.12.002
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)
光子晶体研究进展 资剑 复旦大学表面物理国家重点实验室，上海200433 Jzi@https://www.doczj.com/doc/5616010959.html, 摘要 光子晶体是八十年代末提出的新概念和新材料，迄今取得异常迅猛的发展，是一门正在蓬勃发展的有前途的新学科。光子晶体不仅具有理论价值，更具有非常广阔的应用前景，这个领域已经成为国际学术界的研究热点。本文回顾光子晶体的发展历史，介绍光子晶体的特性、制作方法、理论研究以及应用前景。 关键词：光子晶体，光子能带，光子带隙，光子局域态，自发辐射，Maxwell方程组 我们所处的时代从某种意义上来说是半导体时代。半导体的出现带来了从日常生活到高科技革命性的影响。大规模集成电路、计算机、信息高速公路等等这些甚至连小学生都耳熟能详的东西是由半导体带来的。几乎所有的半导体器件都是围绕如何利用和控制电子的运动，电子在其中起到决定作用。半导体器件到如今可以说到了登峰造极的地步。集成的极限在可以看到的将来出现。这是由电子的特性所决定的。而光子有着电子所没有的优势：速度快，没有相互作用。因此，下一代器件扮演主角的将是光子。 光子晶体是1987年才提出的新概念和新材料[1,2]。这种材料有一个显著的特点是它可以如人所愿地控制光子的运动[3-5]。由于其独特的特性，光子晶体可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光学器件，在光通讯上也有重要的用途，如用光子晶体器件来替代传统的电子器件，信息通讯的速度快得无法想象。 1. 2. 光子晶体简介 3. 众所周知，电子在周期势场中传播时，由于电子波会受到周期势场的布拉格散射，会形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。电子波的能量如果落在带隙中，传播是禁止的。其实，不管任何波，只要受到周期性调制，都有能带结构，也都有可能出现带隙。能量落在带隙中的波是不能传播的。电磁波或者光波也不会例外。不过人们真正清楚其物理含义已经是八十年代末了。 1987年Yabnolovitch [1]在讨论如何抑制自发辐射时提出了光子晶体这一新概念。几乎同时，John [2]在讨论光子局域时也独立提出。如果将不同介电常数的介电材料构成周期结构，电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫
第29卷 第6期Vo l 29 No 6材 料 科 学 与 工 程 学 报Journal of M aterials Science &Engineering 总第132期Dec.2011 文章编号:1673-2812(2011)06-0811-06 有序多孔结构二氧化钛薄膜的制备和应用 赵莉南1,2,王 藜2,胡晓斌1,张 荻1 (1.上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海 200240;2.霍尼韦尔综合科技(中国)有限公司,上海 201203) 摘 要 本文探讨了一种制备二氧化钛高度有序多孔结构的方法及其在染料敏化太阳电池中的应用。采用聚苯乙烯悬浮液,采取垂直沉积法得到了聚苯乙烯胶体晶体;以该模板制备了高度有序的纳米二氧化钛反蛋白石多孔薄膜。对胶体晶体模板和二氧化钛反蛋白石有序膜的微观结构进行表征和讨 论。用所制得的二氧化钛反蛋白石有序膜组装成染料敏化太阳电池。通过电流电压(I -V )测试和电化学阻抗谱(EIS)等对该太阳电池进行了测试;对比纳米颗粒二氧化钛薄膜电池,反蛋白石薄膜的开路电压提高了0.24V,电池内阻降低了61.9%。 关键词 聚苯乙烯;反蛋白石;二氧化钛有序薄膜;染料敏化太阳电池 中图分类号:O484.1;TB34 文献标识码:A Fabrication and Application of Highly Ordered Porous TiO 2Films ZHAO L-i nan 1,2 ,WANG Li 2 ,HU Xiao -bin 1 ,ZHANG Di 1 ((1.State key Lab of Metal Matrix C omposites,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China; 2.Honeywell Integrated Technology (China)C o.,Ltd,Shanghai 201203,China) Abstract A preparatio n method o f a TiO 2highly -ordered po rous structure and its applicatio n in dy e -sensitized solar cells w ere ex plor ed.Poly styrene colloidal crystals w ere prepar ed by v ertical deposition in a po lystyr ene suspension.U sing the cr ystals as the template,thin TiO 2films w ith a highly -ordered nano poro us inverse -opal structure w ere prepared.The micro structures of the colloidal cry stal tem plate and TiO 2inverse -opal ordered films w er e char acterized and discussed.T hen dye -sensitized solar cells w er e fabricated w ith the TiO 2inverse -o pal ordered films.The solar cells w ere characterized by current -voltage (I -V )testing and electr ochemical im pedance spectro scopy (EIS).Compared w ith norm al nano -particle cells,the o pen circuit voltage o f the inverse -opal device increased by 0.24V,and the internal resistance decreased by 61.9%. Key words poly styrene;inv erse -opal;o rdered TiO 2film;dye -sensitized so lar cell 收稿日期:2011-03-08;修订日期:2011-04-18 作者简介:赵莉南(1980-),硕士研究生,从事纳米无机材料研究以及功能材料和器件的结合应用。E -m ail:linan zhao@hotm https://www.doczj.com/doc/5616010959.html, 。 1 前 言 纳米材料具有特殊的结构和性能,可广泛应用于电子、光学、机械装置、生物医药等领域。在特定模板中合成及构建有序纳米结构体系的模板合成法是一种新发展起来的纳米微粒控制合成制备方法。选用具有特定结构的物质作为模板,利用模板的空间限域作用和调控作用来引导纳米材料的制备与组装,从而把模 板的结构复制到产物中去,实现对纳米材料的组成、结 构、形貌、尺寸、取向和排布等的控制,使制备的材料具 备各种预期的或特殊的化学物理性质。1987年Yablonovitch [1]和John [2]分别提出光子晶体的概念以来,光子晶体已成为当代的研究热点,蛋白石和反蛋白石的研究越来越多,用人工制备的蛋白石作为模板,向其结构的空隙中填充前驱体,再用化学或者物理的方法除去原模板材料以得到周期排列的反蛋白石结构。 在太阳电池领域,自1991年Gratzel 小组 [3] 报道