单分散性sio_2胶体微球自组装光子晶体的实验研究

实验装置与技术单分散性sio 2胶体微球自组装光子晶体的实验研究陈世坤,葛文萍(新疆大学信息科学与工程学院,新疆乌鲁木齐 830046)提要:光子晶体是一种周期性电介质材料,具有光子带隙和光子局域等一系列优异的光学特性。

制备了多种不同直径的单分散二氧化硅胶体微球,采用垂直沉积法将不同直径,以及同一直径不同浓度的二氧化硅胶体微球自组装成多种光子晶体薄膜,并用扫描电子显微镜和紫外 可见 近红外分光光度计对其微观结构和光学特性进行了表征,结果表明所得晶体薄膜具有三维有序结构,其表面存点、线缺陷。

自组装得到的光子晶体薄膜存在明显的光子带隙特征,带隙位置与二氧化硅胶体微球直径有关,带隙中心波长与理论值一致。

随着二氧化硅胶体微球浓度的增加,光子带隙深度增加,特性更好,但是,当浓度大于10%时,光子带隙的深度反而减小。

关键词:SiO 2胶体微球;光子晶体;自组装;光子带隙;垂直沉积法中图分类号:TN248.1 文献标识码:A 文章编号:0253-2743(2010)01-0022-03Microstructure and optical property of colloidal photonic crystals basedon self -assembly of monodispersed sio 2microspheresCHEN Shi-kun,GE Weng-ping(College of Informati on Science and Engi neering,Xinji ang Univers ity,Urumqi,830046,China)Abs tract:Photonic crys tal is one ki nd of periodic dielectric materi als,with a s eries of excellent optical properties suc h as photonic band gap and photon localization.Prepared a variety of different diameter monodis pers e colloidal silica microspheres,than us e different di ameter,different concentrations of silica gel microspheres self-ass embled into a variety of photonic crystal fil ms through the vertical deposi ti on method,and their micros truc ture and optical properties are characterized by scanning electron micros copy(SEM )and UV-vi sible-near-infrared spectrophotometer.The results sho w that the films proceeds wi th three-dimensionally ordered crystal s tructure,there are obvious point and line defects on i ts surface.Self-assembly photonic crystal fil ms have s ignificant features of photonic band gap,the gap !s position i s relevant to colloi dal silica microspheres i n diameter,and the band -gap !s centeral wavelength consi stent with the theoretical value,the depth of photonic band gap increase as increasing concentration of coll oidal silica microspheres,which mean better photonic band gap properties,but when the concentration is more than 10%,the depth of photonic band gap will be reduced conversly.K ey words :SiO 2colloidal microspheres photonic;crys tals;s el f-ass embly photonic;band gap;vertical deposi ti on method收稿日期:2009-11-11作者简介:陈世坤(1984-),女,汉族,河北省保定市人,在读硕士。

在过去的一个世纪,电子技术发展迅速,但是随着电路集成度的提高和处理速度的飞速发展,出现了很多新的、难以解决的问题。

传统的半导体集成电路在速度和效率的提高上越来越受到量子效应及电子本身之间相互作用的限制。

于是,人们开始关注光子技术的研究,期盼研制成功全光型的集成功能器件。

光子具有高传输速度、高密度及高容错性等优点,光子代替电子作为信息载体是二十一世纪信息技术的发展趋势。

但光子的控制相当困难,使得光子器件的研究和应用难以取得重大的突破。

解决这个问题的关键,在于研究和开发一种新型的人工材料 光子晶体∀1#。

光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。

它具有光子禁带和光子局域等一系列优异的光学特性,能够调制具有相应波长的电磁波,使控制光子的运动成为可能∀2-3#。

因此具有十分广泛的应用前景,如可用于光开关、无损耗的光波导、光放大器、无域值的光激光器等∀4,5#。

自从Yablonovitch ∀6#和John ∀7#在1987年分别提出光子晶体的概念以来,光子晶体越来越引起科学工作者的注意并得到了迅速的发展。

胶体晶体自组装法是制备可见光至近红外波段三维光子晶体的一种简便有效的方法,它利用胶体微球的自组装特性来制备光子晶体,制备过程简单、所需费用较低∀8-10#。

利用胶体颗粒自组装特性制备三维光子晶体薄膜的方法主要有:重力沉积法,垂直沉积法,静电斥力法,离心力场法,物理受限法以及模板技术法等∀11#。

垂直沉积法是利用垂直浸入胶体溶液中的基片上颗粒之间的毛细管力来实现胶体颗粒有序自组装的。

这种方法的优点是能够在较合理的时间内得到质量较好的单晶胶体光子晶体薄膜,可以通过改变胶体微球的体积分数来控制薄膜的厚度,制备过程简单且重复性好∀12-13#。

本文采用垂直沉积法利用不同直径的单分散性二氧化硅胶体微球制得了一系列具有不同厚度的三维胶体光子晶体薄膜,对其显微结构和光谱特性进行了细致的研究。

1 实验部分1.1 主要试剂与仪器主要仪器有:Hitachi-S570扫描电子显微镜(SE M );JEM -200CX 透射电子显微镜;JASC 紫外-可见-近红外分光光度计;主要试剂有:无水乙醇,去离子水,氨水,TEOS(正硅酸乙酯)1.2 实验方法1.2.1 单分散SiO 2纳米微球的制备在三口烧瓶中依次加入一定配比的无水乙醇、去离子水、氨水,搅拌几分钟后静置。

待混合均匀且混合溶液温度达到水浴温度25∃后,加入一定量的TE OS 。

搅拌几分钟后,溶液变混浊,继续反应一小时。

反应产物用5000r/mi n 的离心速度离心15min,得到的沉淀物再用无水乙醇清洗3次,采用同样的离心速度和离心时间离心分离。

最后的沉淀物静置几天后,SiO 2胶体微球将全部沉积在容器底部。

为了得到不同直径的SiO 2胶体微球,可以通过变换反应物浓度和制备工艺来实现。

1.2.2 SiO 2纳米微球的自组装用去离子水彻底清洗烧杯和载波片晾干备用。

称取一定量的SiO 2胶体颗粒(粉末),注入一定体积的无水乙醇中,经过超声分散配制成一定浓度的SiO 2胶体溶液。

将配制好的SiO 2胶体溶液缓缓倒入清洗干净的小烧杯中,静置几分钟后垂直插入载波片。

将烧杯放置在干燥箱中,为了防止气流的扰动和灰尘,用更大的烧杯倒扣其上。

整个体系的温度设定为25∃。

自组装时间为72h 。

最后在载波片上得到彩色的Si O 2胶体薄膜。

2 结果与讨论2.1 SiO 2胶体微球的显微形貌实验通过改变反应物的浓度得到不同直径的二氧化硅22陈世坤等:单分散性sio 2胶体微球自组装光子晶体的实验研究%激光杂志&2010年第31卷第1期 LASER J OURNAL(Vol.31.No.1.2010)胶体微球,反应物具体配比和SiO 2胶体微球粒径分布见表1:表1 不同直径单分散SiO 2胶体微球反应物配比及其粒径分布样品编号CH3CH2ON (ml)H2O(ml)TEOS (ml)NH3.H2O (ml)D (nm)110 2.4 1.5 2.1360215 2.4 1.5 2.1269330 2.4 1.5 2.1235430 2.4 1.5 3.02095302.41.56.0177图1为不同直径Si O 2胶体微球的TE M 照片,其中图1a 至图1e 分别为样品1到5的TE M 图,图1f 为样品5的低倍TE M 扫描图。

由扫描结果可以看出实验通过改变反应物的配比,成功制备出了不同直径单分散性极好的SiO 2胶体微球,为胶体光子晶体的制备和研究打下了很好的基础。

图1 不同直径SiO 2胶体微球的TEM 照片2.2 自组装Si O 2胶体光子晶体的显微形貌2(a)50,000倍SEM 图;2(b)30,000倍SEM 图;2(c)截面图图2 SiO 2胶体晶体的SEM 图本文采用垂直沉积法将上述不同直径上SiO 2胶体微球自组装成光子晶体薄膜,并用扫描电子显微镜观察了其显微形貌。

图2给出了直径为209nm 的Si O 2,胶体溶液自组装得到的胶体光子晶体的50,000倍和30,000倍的上表面图以及其截面图。

由图2(a)不难看出样品表面呈有序的六角密排结构,由图2(b)可以看出这种有序结构不局限于小面积,而是大范围存在的。

由图2(c)可以看出样品的内部也是有序的(样品底部散乱部分是由于切割不整齐所致),及样品在三维方向上都具有有序结构。

另外,在图2(a)和图2(b)中可以清楚的看到一些点缺陷和线缺陷,这是在样品的制备过程中形成的。

在样品的制备过程中,我们无法确保外界环境绝对稳定,外界温度变化引起的胶体溶液蒸发速率的变化,由于风等其它因素引起的微小震动等原因都会使胶体颗粒脱离平衡态,从而使组装得到的胶体晶体中存在一些缺陷,甚至一些无序结构。