CN100478503C - 一种动态物理限制条件下的光子晶体模板制备方法 - Google Patents

Abstract

一种动态物理限制条件下的光子晶体模板制备方法，属于胶体光子晶体模板的制备技术领域。制备步骤为：微球乳液均匀分散在溶剂中，将模板切割，将两片模板对应的两边粘合，将上述的模板倾斜0°～90°角度放入生长器内；胶体微球乳液与溶剂混合，微球乳液的流速为0.1～2.0cm/min，循环时间为18～40小时，逐渐缓慢降低至0，将模板放入恒温恒湿箱中，控制其温度40～80℃，湿度60～80%；自组装成高质量的光子晶体。优点在于，该方法能够制备出面积较大的坚固致密蛋白石胶体晶体模板，且排列高度有序，缺陷少。工艺简单，成本低，效率高，制备的模板致密，不容易从基板上脱落，具有较强的可操作性和可重复性。

Description

一种动态物理限制条件下的光子晶体模板制备方法

技术领域

本发明属于胶体光子晶体模板的制备技术领域，特别涉及一种动态物理限制条件下的光子晶体模板制备方法，具体地说是一种物理限制条件下，胶体微球在一定流速情况下，自组装及制备二维、三维光子晶体的方法。

背景技术

光子晶体(Photonic Band-Gap简称PBG)材料亦称光子晶体(Photonic Crystals)，指介电常数(折射率)周期性变化的材料，是目前信息功能材料研究中的前沿课题。光子晶体具有独特的调节光传播状态的功能，在光电集成，光子集成，光通讯等领域具有非常广泛的前景。光子晶体在光学方面的应用要求其周期常数要在亚微米即几百纳米量级。人工制备周期性三维光子晶体的方法有精密机器加工法，半导体微制造法，激光全息照相法及胶体自组装法。上述几种方法中，当前最成功的制备方法是自组装蛋白石及其改进技术。该方法利用胶体溶液中的单分散微球自动趋向于能量最低的密排六方排列形式。自组装方法包括重力作用下的自由沉积，外加电场诱导沉积，静电力驱动沉积等。由这些方法制备的光子晶体是单分散的二氧化硅微球或聚苯乙烯微球组成的具有面心密排结构的胶体晶体。王京霞等(CN 200510012021.6)采用胶体自然条件下自组装的方法制备胶体膜，这种方法制得的光子晶体缺陷较多，不容易获得大面积的模板。李爱东等(CN 200510041578.2)采用静态的方法，让胶体在两片模板之间自然生长，获得可控层数的二维、三维光子晶体，这种方法制得的光子晶体不是很致密，容易从模板上脱落。田洁等(CN 02160212.3)采用单光束光镊与自组织相结合的方法能够制备出可控缺陷态的三维光子晶体。该方法能够精确控制缺陷的位置，但仍然是一种静态自组装的模式，所获得的光子晶体模板仍然不够致密，且不容易获得较大面积的模板。R.M.阿莫斯等(CN 00815379.5)设计了一种生长坚固大面积的胶体光子晶体方法。该方法涉及到尺度单一化的聚合物胶体的悬浮液，通过施加直线剪切力使胶体排列成面心立方的晶体结构。但是这种方法制得的晶体厚度依赖于隔离微珠的直径，并且隔离珠的位置在振动过程中容易发生位移。本发明结合上述几种方法的优点，采取一种相对简单的动态操作方式，制备出结构坚固致密、排列整齐的较大面积光子晶体模板。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动态物理限制条件下的光子晶体模板制备方法，克服上述方法中不容易获得大面积、致密坚固的光子晶体或光子晶体模板容易从基体上脱落等缺点，采用动态物理限制的方式，提供一种相对简单的生长三维光子晶体结构的方法及装置。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

选择模板材料：模板材料为ITO玻璃或硅片；

实验中采用的微球乳液为聚苯乙烯(Polystyrene，PS)微球(Bangs lab，USA)，均匀分散在溶剂中，至形成乳白色均匀稀释的悬浮液，置于瓶中备用。

将模板切割，用NaOH的乙醇饱和溶液浸泡，并用去离子水及清洗液超声清洗，去离子水淋洗，置于去离子水中待用。

两片模板相对，在其左右的边缘各放置聚乙烯薄膜或聚氯乙烯，然后用胶水黏结，并留有1μm～10μm的空隙。将其以0°～90°的倾斜角放置在生长容器内，胶体微球乳液与溶剂以体积比1∶4～2∶3混合；实验中选用的模板与微球的水(乙醇)基悬浮液间有良好的浸润性，借助毛细管力作用，稀释悬浮液逐渐充满整个缝隙。然后用平流泵将微球乳液以0.1～2.0cm/min的流速在两板空隙中循环18～40小时，然后逐渐放缓至0流速。借助流体剪切力的作用，微球在两板间隙中、中央流速区两侧排列致密，并且能有效地避免缺陷。然后将此样品装置放置在恒温恒湿中，控制其温度40～80℃，湿度60～80％，悬浮液会自组装形成致密坚固的有序光子晶体结构。

本发明所述的模板材料可以为有图案，也可以为光滑的；模板材料的形状可以为长方形，也可以为正方形，长宽为1cm～5cm。

本发明所述的溶剂可以为无水乙醇，也可以为去离子水或两者的混合。

本发明所述的微球乳液可以为聚苯乙烯微球，也可以为二氧化硅微球。

本发明的特点：能够制备出面积较大的坚固致密蛋白石胶体晶体模板，且排列高度有序，缺陷少。通过控制模板间的间隔、乳液的浓度和流速，来达到控制所制备蛋白石的厚度，其方法简便易行，制备的光子晶体模板致密坚固，不容易从基片上脱落，并且能够有效地减少缺陷。并且，工艺简单，成本低，效率高，制备的模板致密，不容易从基板上脱落，具有较强的可操作性和可重复性。

附图说明

附图1为本发明产生三维光子晶体结构的装置图。

附图2、3本发明产生三维光子晶体结构的断面图。

附图4、5是采用本发明生长出的三维光子晶体的扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

图1表明施加流动剪切力到含聚合物胶体悬浮液生产光子晶体的常规方法。

实施例1：

PS微球均匀分散在体积比为2∶3的去离子水和无水乙醇的混合液中，至形成乳白色均匀稀释的悬浮液，置于瓶中备用。

将ITO玻璃切割成10×30mm，用NaOH的乙醇饱和溶液浸泡，并用去离子水及清洗液超声清洗，后去离子水淋洗，置于去离子水中待用。两片ITO玻璃的导电面相对，在其左右的边缘各放置8um的聚乙烯薄膜，然后用胶水黏结，夹子固定，并将此简易装置按30°放置。实验中选用的ITO玻璃与PS微球的水基悬浮液间有良好的浸润性，借助毛细管力的作用，稀释悬浮液充满ITO玻璃的整个缝隙，形成ITO玻璃/稀释悬浮液/ITO玻璃的三层结构。启动平流泵，让悬浮液在两基片之间以0.5cm/min的速度缓慢循环，依靠乳液流动剪切力作用，PS微球在基片的两个底角沉积，由于毛细管力的作用，PS微球会自组装，18小时后，平流泵逐渐缓慢降低至0。将此样品装置取出，垂直放置于温度40℃，湿度80％的恒温恒湿箱中2～3天，PS微球自组装形成致密坚固的有序光子晶体模板结构。

实施例2：

步骤与实施例1相似，不同之处在于去离子水与无水乙醇的分散体积比为1∶4。所用基板为抛光硅片，并使两抛光硅片的抛光面相对，简易装置放置角度为45°。平流泵循环速度为1.0cm/min，40小时后，平流泵逐渐缓慢降低至0，其余操作同实施例1。

图2和3分别大致表示两基片间胶体晶体横断面和纵断面示意图。光子晶体在中央乳液流动区域生长相对疏松一些，在基片的两侧生长致密而坚固，且得到的面积较大。

将所获得的光子晶体在扫描电镜(ZEISS-SUPRA55，德国)下观察其形貌，如图4、5所示。

Claims (4)

1、一种动态物理限制条件下的光子晶体模板制备方法，其特点在于，制备步骤为：

(1)微球乳液均匀分散在溶剂中，至形成乳白色均匀稀释的悬浮液，置于瓶中备用；所述的微球乳液为聚苯乙烯微球或二氧化硅微球；

(2)将模板切割，用NaOH的乙醇饱和溶液浸泡，并用去离子水及清洗液超声清洗，去离子水淋洗，置于去离子水中待用；

(3)将两片模板对应的两边粘合，并留有1μm～10μm的空隙；

(4)将上述的模板倾斜0°～90°角度放入生长器内；

(5)胶体微球乳液与溶剂以体积比1∶4～2∶3混合；

(6)控制微球乳液的流速为0.1～2.0cm/min，并维持18～40小时，然后逐渐缓慢降低至0；

(7)将模板放入恒温恒湿箱中，控制其温度40～80℃，湿度60～80％；自组装成高质量的光子晶体。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的模板材料为有图案或光滑的；模板材料的形状为长方形或正方形，长宽为1cm～5cm。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的溶剂为无水乙醇，去离子水或两者的混合。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：两模板之间所放置的薄膜为聚乙烯、聚氯乙烯。

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