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二氧化硅和聚苯乙烯胶体晶体的制备及模板法制备反蛋白石结构光子晶体的初步研究

宋娟  
【摘要】:光子晶体是一种介电常数(或折射率)周期性调制的有序结构,其中介质折射率的周期变化对光子的影响与半导体材料中周期性势场对电子的影响相类似。光子晶体的基本特征是具有光子带隙,频率落在带隙中的电磁波是被禁止传播的。这就使得光子晶体具备许多普通光学材料没有的新性质,这些新的性质在集成光学、微波通信、强场光学等领域具有潜在的巨大的实用价值。 自从光子晶体的概念被提出以来,不同波段的一维、二维光子晶体己相继被制造出来,但从应用角度来看,真正令人感兴趣的是制造可见——近红外波段的三维光子晶体。对于制造光学波段的光子晶体,化学方法显示出比微机械加工方法更大的优越性,其中利用胶体颗粒自组装是一种非常简便的方法。用单分散的SiO_2微球或PS(聚苯乙烯)微球,在悬浮液中可自组装形成密堆积的胶体晶体,该类结构具有很好的长程有序性。遗憾的是它们的介电常数和空气的相差不大,不能产生完全带隙,而制备具有较高折射率的完全光子带隙的光子晶体是人们努力的方向,因此可以向上述胶体晶体孔隙中注入高介电常数介质,然后去除原来的胶体微球得到球形孔隙的“反欧泊”(inverse opal)结构以提高其折射率比值。“反欧泊”实际上由折射率不同的两种介质组成,一为大孔内的空气,另一个为孔壁的介质。当孔壁与空气的折射率之比即相对折射率n=n_2/n_1足够大时就可以形成完全光子带隙。 在这种方法中,制备出单分散性好的、性质稳定的胶体微球以及利用胶体微球自组装成胶体晶体模板是制备具备完全光子带隙的光子晶体的关键步骤。 本文在大量文献调研的基础上利用自制的聚苯乙烯和二氧化硅胶体微球组装出高度有序的胶体晶体模板,并利用溶热法向模板中填充硫化镉。本论文的主要工作如下: 利用无皂乳液聚合的方法制备单分散聚苯乙烯(PS)微球,利用经典St(?)ber方法制备单分散二氧化硅(SiO_2)微球乳液,简单讨论了反应体系条件对微球尺寸的影响;采用离心法、垂直沉降法组装PS胶体晶体,采用重力沉降、垂直沉降法组装SiO_2胶体晶体;通过扫描电子显微镜对胶体晶体结构进行表征,并通过胶体晶体对可见光的透射光谱对晶体禁带进行了讨论;最后选用合适的反应前驱物,把上述组装得到的胶体晶体作为模板,利用溶热法将CdS填充到模板内部,通过原子力显微镜、扫描电子显微镜对填充情况进行表征并作了讨论。


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