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基于曲面基底组装胶体晶体及其有序多孔膜的研究

郭文华  
【摘要】:光子晶体是一种新型的纳米光电材料,主要是由两种具有不同介电常数或折射率的材料,以周期性的规则排列而构成的。胶体晶体及其多孔膜材料具有光子带隙的性质,常被当做光学材料或光子晶体应用,且在光开关、滤波器,以及微反应器、生物传感等领域具有广泛的应用。利用胶体微球组装技术,可以制备方形、球形、椭球形或星形等复杂结构的三维胶体晶体,这些结构可以直接应用。本文对在曲面基底如毛细管和光纤表面上制备胶体光子晶体及其三维有序多孔薄膜进行了深入的研究,并探究了其排列结构和光学性质,这些有序的结构可作为光纤布拉格光栅等光子器件应用到光通讯领域,或者催化、分离及色谱分析材料;其中基于光纤基底的胶体晶体,有望发展成为三维微结构光纤。 本文从光子晶体中的Maxwell方程出发,利用平面波展开法模拟了胶体晶体的光子能带结构,得到了制备胶体晶体所需微球的基本参数。采用时域有限差分法(FDTD)模拟了胶体晶体的透射/反射光谱,分析了电磁波在胶体晶体中的传输模场分布,讨论了微球直径、材料折射率和堆叠层数等参数对胶体晶体光子带隙的影响。在以上理论模拟的基础上,获得了制备胶体晶体的最佳实验参数。 从胶体晶体自组装机理出发,基于垂直沉积法,利用降压等温的方法在较低的温度下组装了高质量的胶体晶体薄膜。所制备得到的样品具有规则的面心立方结构,缺陷较少,制备周期较短,并且不受胶体材料和微球尺寸的限制。进一步推广此方法,在毛细管表面和内部制备了面心立方结构排列的胶体晶体,但是其[111]晶向不同:空心圆环胶体晶体中[111]晶向垂直于毛细管主轴,而毛细管内实心圆柱胶体晶体中[111]晶向平行于主轴。光纤表面制备的胶体晶体具有良好的圆柱对称性,其(111)面平行于光纤表面,透射光谱带隙深度达到76%,带边斜率达到5.2%/nm,有望应用于光开关、光纤通信和传感领域。随着入射角度的增大,带隙深度减小,宽度增大,与布拉格计算结果完全吻合。 利用溶胶凝胶协同自组装法,结合双基片的毛细力限制,制备了表面开孔的反蛋白石结构胶体晶体多孔薄膜。在此方法中,胶体微球组装和模板空隙填充同时进行,一步就制得胶体晶体复合物,去除模板后得到多孔结构。不但避免了繁琐的填充步骤,而且保证了空隙的致密填充。扫描电镜和透射光谱测试显示了多孔结构的高度有序性和较高的光谱质量:光子带隙深度达到60%,带边斜率为6%/nm。双基片的限制不仅避免了过度填充覆盖表面,而且增强了胶体晶体多孔结构的机械稳定性,可以制备独立结构应用于传感检测领域。 利用重力沉降法,在光纤端面和凹腔中组装了胶体晶体,实现了胶体微球在微型区域上的自组装,且胶体晶体在较大范围内可调谐。所制备得到的胶体晶体具有规则的面心立方排列结构,其(111)面平行于光纤端面,胶体晶体[111]晶向的带隙沿着光纤轴向,无须准直直接与光纤耦合。其透射和反射光谱表明,胶体晶体具有有序的排列结构和较高的晶体质量,利用光子带隙峰值位置的偏移测试了其折射率传感特性,有望应用于光纤传感检测领域。 利用降压等温垂直沉积和溶胶凝胶协同组装相结合的方法,在毛细管和光纤表面成功制备了圆环状三维有序多孔结构胶体晶体。微球的堆积方式均为面心立方排列,(111)平面平行于圆柱表面,即反蛋白石结构。讨论了实验参数如微球直径、光纤直径以及溶液配比等对制备的胶体晶体多孔薄膜的影响。该方法有望制备三维有序多孔微结构光纤。


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