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BaTiO_3/TiO_2光子晶体及结构色彩研究

陈鸿奎  
【摘要】:光子晶体(PCs)是具有光子带隙的周期性电介质结构,落在光子带隙中的光将不能传播,正如半导体材料中的能量带隙。光子晶体具有光子带隙和光子局域等特征,能够增强或者抑制原子的自发辐射,成为实现光通讯和光子计算机的基础。 本文主要研究了采用二氧化硅(SiO2)和聚苯乙烯(PS)蛋白石结构胶体晶体模板法制备硫化镉(CdS)和钛酸钡/二氧化钛(BaTiO3/TiO2)反蛋白石结构光子晶体的技术,并探讨了蛋白石结构胶体晶体的结构色彩(Structural Color)及其应用。 1.采用Stober法和乳液聚合法分别制备了不同粒径的单分散性SiO2和PS微球。 2.通过胶体粒子自组装得到SiO 2、PS、SiO2/PS复合双层蛋白石结构胶体晶体模板。胶体粒子的分散性、自组装方法、温度和湿度是影响自组装胶体晶体模板结构和规整性的主要因素。调整胶体粒子的沉积速度,延长胶体粒子进行自组装的时间,更有利于得到长程有序的面心立方结构(FCC)的胶体晶体模板。由于晶体平面的Bragg衍射,胶体晶体模板呈现出鲜艳的结构色彩;蛋白石结构胶体晶体本身即为一种光子晶体,具有不完全光子带隙。 3.以SiO 2、PS蛋白石结构胶体晶体作为模板,分别采用化学浴沉积(CBD)和溶胶-凝胶法(Sol-Gel)向模板中填充CdS和BaTiO3/TiO2前体,经HF酸刻蚀和煅烧法选择性除去SiO2和PS模板,得到了有序多孔的CdS和BaTiO3/TiO2复合反蛋白石结构光子晶体。扫描电镜(SEM)观察发现,反蛋白石光子晶体具有非常规整的多层结构,“空气球”取代原来的胶体粒子,高介电常数基质(如CdS、BaTiO3/TiO2)构成了孔的腔壁,形成周期性电介质结构。在高介电常数基质的腔壁上分布着“小窗”,空气相通过“小窗”相连,成为一连续相,使反蛋白石结构光子晶体中空气相和高介电基质相分别贯通。球孔的尺度比乳胶粒粒径要小,使反蛋白石结构的晶格常数比蛋白石结构的晶格常数缩小了30%左右,但仍保持了长程有序性。 4.胶体晶体鲜艳的结构色彩(Structural Color)源自其对光的Bragg衍射,改变胶体晶体晶格常数的大小或改变观察的视角都将引起结构色彩的改变。由此我们提出了仿生结构色彩“颜料”的概念,并运用这种“颜料”仿造生物制作出了鲜艳的蝴蝶形图案。


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