可见区三维完全带隙光子晶体的设计及二氧化钛光子晶体的制备与性能研究

【摘要】： 光子晶体是一类有着良好应用前景的光子信息功能材料,化学法是实现可见光波段的光子晶体的有效途径之一。本课题制备出了二氧化钛空心微球非密堆积FCC结构的新型光子晶体,为开发具有良好带隙特性的光子晶体做出了贡献。 首先采用St?ber法制备了单分散SiO_2微球。 分别选用无水乙醇和水作溶剂,采用经过改进的垂直沉积法组装出了SiO_2微球胶体光子晶体。无水乙醇作溶剂时,适宜的胶粒悬浮液浓度为1.0%。制备的胶体光子晶体,其结构为FCC型密堆积排布,其带隙为非完全带隙。在制备的胶体晶体中存在的缺陷有:点缺陷、线缺陷、堆垛位错及台阶位错等。利用Bragg公式对SiO_2微球胶体光子晶体带隙位置进行计算,计算结果与光谱测试结果都表明[111]方向的带隙中心波长随球径的增加向长波方向移动。 以SiO_2微球胶体晶体为模板,制备了SiO_2微球非密堆积FCC结构光子晶体。系统的研究了煅烧温度、HF酸浓度及刻蚀时间对晶体制备的影响。研究了SiO_2微球非密堆积FCC结构光子晶体的带隙特性。 以SiO_2微球非密堆积FCC结构光子晶体为二次模板,结合溶胶-凝胶技术及湿法刻蚀技术,制备出TiO_2空心微球非密堆积FCC结构的光子晶体。在此晶体中,处于晶格格点位置上的每一个TiO_2空心微球都通过圆柱管与其最近邻的12个空心球相连通。光学测试及能带计算都表明,TiO_2空心微球非密堆积FCC结构的光子晶体具有优越的光子带隙特性,可以开通第八、九能带间的三维准完全光子带隙。详细讨论了在晶体制备过程中溶胶配比、浸渗时间、浸渗次数及烧结温度对晶体质量的影响。