CN102644110A - 一种金属光子晶体材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种金属光子晶体材料的制备方法，属于无机纳米材料制备领域。本发明以胶体微球为模板材料，进而制得二氧化硅反模板材料，通过共组装法制备出二氧化硅反蛋白石结构，然后利用氯金酸和氯铂酸的乙醇溶液为金源和铂源，二甲胺基甲硼烷的蒸气来进行还原反应，合成金属光子晶体材料。本发明技术方案设计新颖合理，适用范围广，操作简单，反应易控，重复性好，无污染，安全性好。所制得的金属光子晶体材料能够在几百个微米内均匀有序，光学性能良好。

Description

一种金属光子晶体材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属光子晶体材料的制备方法，属于无机纳米材料制备工艺技术领域。

背景技术

光子晶体材料具有光子禁带的特性，能够阻止光在各个方向上的传播，具有优良的光学性能。特别是金属光子晶体材料，已经通过模拟的方法证明了存在完全的光子带隙，是替代半导体材料的新型材料。光子带隙的存在使得实现光子在特定频率下的自发传播成为可能。在三维有序光子晶体中，这种能够控制光传播的能力在量子光学及其器件上有广泛的应用。例如可以修正黑体辐射，将光限制在一定区域，这就能够实现单一光发射的发光二极管。光子晶体也能够用于一定频率的反射镜，只能通过一定频率的光波滤镜和光波谐振器。通过在光子晶体中引入线缺陷或者是点缺陷来控制光的传播能够合成用于能够90°弯曲的光子电路和无损耗棱镜的平面波导。 就像半导体技术一样，光子晶体的相关技术也会给人们的生活乃至人类的科学技术史上的带来一次重大的变革。

目前制备金属光子晶体材料的方法主要分为刻蚀技术和模板法。

刻蚀技术，是在半导体过制备程中对表面薄膜或者半导体衬底表面按照设计进行选择性的腐蚀从而去除的技术。上述方法本身有其独特的优势，比如可以制备任何表面形貌的完全带隙三维有序光子晶体也可以很轻松的引入我们想要的缺陷结构。然而，其本身的造价昂贵，制作过程耗时较长并且这些技术对设备的要求较高等都限制了他们的应用。最主要的是通过上述方法制备在可见光区和紫外光区的光子晶体很难实现。

模板法主要是用胶体微球组成的胶体晶体模板或其反模板。模板法反应条件温和且合成过程的可控性好，并且能够制备大面积有序的光子晶体材料。然而由于模板本身存在缺陷，限制了利用电沉积等方法制备大面积有序的金属光子晶体材料。

我们结合前人的工作，将模板法与化学还原的方法结合起来，既发挥了模板法本身的长处又避免了其局限性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种金属光子晶体材料的制备方法。

一种金属光子晶体材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：

1）通过无皂乳液聚合法合成聚苯乙烯微球：将苯乙烯加水和乙醇混合溶液中，其中苯乙烯、水和乙醇的体积比为1:6:14，并用氮气进行保护；将温度设定在70~75℃之间，待温度稳定后加入与加入体系中苯乙烯等体积的0.02g/ml的过硫酸钾溶液，进行反应；

2）以正硅酸乙酯、乙醇、0.1M的盐酸按照质量比为1：1.5：1的比例配制二氧化硅前驱液；然后将其与1）所制备聚苯乙烯微球乳液加入溶液中混合，其中聚苯乙烯微球乳液和前驱液的体积比为100:1；并放入60~65℃的烘箱中生长2-3天，完成后在450℃的条件下通过煅烧5h除去聚苯乙烯微球，得到二氧化硅反模板；

3）然后配制氯金酸或氯铂酸的乙醇溶液，并将二氧化硅胶反模板浸泡其中；取出在空气中干燥，待其干燥完成后放入盛有二甲氨基甲硼烷的烧杯中还原12h；重复浸泡与还原过程0~2次；

4）还原反应完成后，用0.1~1 mol/L HF溶液溶解二氧化硅反模板，然后用乙醇及去离子水清洗干净，得到样品。

产物的形貌通过扫描电子显微镜（SEM）照片显示，光学性能用红外/可见光/紫外光分光度计表征，采用日本日立公司S-4700型扫描电镜和Perkin Elmer 公司的Lamda 950红外/可见光/紫外光分光度计。

本发明利用一种简便的方法合成高质量的金属光子晶体材料，设计合理，操作简单，反应容易控制，重复性好，无污染，安全性好。

附图说明

图1为本发明之实施例1所制的聚苯乙烯微球的扫描电镜图；

图2为本发明之实施例1所制的二氧化硅网的扫描电镜图；

图3为本发明之实施例1所制的铂光子晶体的扫描电镜图；

图4为本发明之实施例2所制的铂光子晶体的扫描电镜图；

图5为本发明之实施例2所制的铂光子晶体的反射光谱图。

图6为本发明之实施例3所制的金光子晶体的扫描电镜图。

图7为本发明之实施例4所制的金光子晶体的扫描电镜图。

具体实施方式

下面实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

以下实施例制备的金属光子晶体的形貌通过扫描电子显微镜（SEM）显示，光学性能用红外/可见光/紫外光分光度计表征，采用日本日立公司S-4700型扫描电镜和Perkin Elmer 公司的Lamda 950红外/可见光/紫外光分光度计。

实施例1：铂光子晶体的制备方法，步骤如下：

1）通过无皂乳液聚合法合成聚苯乙烯微球，将苯乙烯加入水和乙醇混合溶液中，其中苯乙烯、水和乙醇的体积比为1:6:14，并用氮气进行保护。将温度设定在71℃之间，待温度稳定后加入与加入体系中苯乙烯等体积的0.02g/ml的过硫酸钾溶液，进行反应。

2）以正硅酸乙酯、乙醇、0.1M的盐酸按照质量比为1：1.5：1的比例配制二氧化硅前驱液。然后将其与1）所制备聚苯乙烯微球乳液加入溶液中混合，其中聚苯乙烯微球乳液和前驱液的体积比为100:1。并放入65℃的烘箱中生长2天，完成后在450℃的条件下煅烧5h除去聚苯乙烯微球，得到二氧化硅反模板。

3）然后配制浓度为50wt%氯铂酸的乙醇溶液，并将二氧化硅反模板浸泡其中，约0.5h后取出在空气中干燥。待其干燥完成后放入盛有二甲氨基甲硼烷的烧杯中还原12h。

4）还原反应完成后，用0.5mol/L HF溶液溶解二氧化硅反模板，然后用乙醇及去离子水清洗干净，得到样品。

图1所示为本实例制得290nm的聚苯乙烯微球的SEM照片，从图中看到聚苯乙烯微球大小均匀，球形度良好。图2所示为本实例制得的二氧化硅反模板的SEM照片，可以看出其孔径大小与聚苯乙烯微球基本相同，无明显收缩。图3所示为本实例制得的铂光子晶体的SEM照片。

实施例2

铂光子晶体的制备方法，步骤同下：

1）通过无皂乳液聚合法合成聚苯乙烯微球，将苯乙烯加入水和乙醇混合溶液中，其中苯乙烯、水和乙醇的体积比为1:6:14，并用氮气进行保护。将温度设定在71℃之间，待温度稳定后加入与加入体系中苯乙烯等体积的0.02g/ml的过硫酸钾溶液，进行反应。

2）以正硅酸乙酯、乙醇、0.1M的盐酸按照质量比为1：1.5：1的比例配制二氧化硅前驱液。然后将其与1）所制备聚苯乙烯微球乳液加入溶液中混合，其中聚苯乙烯微球乳液和前驱液的体积比为100:1。并放入烘箱中生长2天，完成后在450℃的条件下煅烧5h除去聚苯乙烯微球，得到二氧化硅反模板。

3）然后配制浓度为50wt%氯铂酸的乙醇溶液，并将二氧化硅反模板浸泡其中，约0.5h后取出在空气中干燥。待其干燥完成后放入盛有二甲氨基甲硼烷的烧杯中还原12h。还原后在空气中放置0.5h。然后继续将其继续浸泡在浓度为50wt%氯铂酸的乙醇溶液中，约0.5h后取出在空气中干燥。待其干燥完成后放入盛有二甲氨基甲硼烷的烧杯中还原12h。

4）待最终还原反应完成后，用0.5mol/L HF溶液溶解二氧化硅反模板，然后用乙醇及去离子水清洗干净，得到样品。

图4所示为本实施例制得的铂光子晶体的SEM照片，从图中可以看出其表面形貌较好，微球排列均匀，球径大小均一且大面积有序，球径相对据聚苯乙烯微球无明显的收缩。图5为本实例制得的铂光子晶体的反射光谱图片，可以看出铂光子晶体有464nm和506nm两个特征峰出现，反射率达到了10.2%，光学性能较好。相对于实施例1，本施例能够保证铂的填充率，从而制得具有良好光学性能的产品。利用此方法合成铂光子晶体材料，相对于传统的电沉积等方法简单，易行，且能够节省成本。

实施例3 金光子晶体的制备方法，步骤如下：

1）通过无皂乳液聚合法合成聚苯乙烯微球，将苯乙烯加入水和乙醇混合溶液中，其中苯乙烯、水和乙醇的体积比为1:6:14，并用氮气进行保护。将温度设定在71℃之间，待温度稳定后加入与加入体系中苯乙烯等体积的0.02g/ml的过硫酸钾溶液，进行反应。

2）以正硅酸乙酯、乙醇、0.1M的盐酸按照质量比为1：1.5：1的比例配制二氧化硅前驱液。然后将其与1）所制备聚苯乙烯微球乳液加入溶液中混合，其中聚苯乙烯微球乳液和前驱液的体积比为100:1。并放入烘箱中生长3天，完成后在450℃的条件下煅烧5h除去聚苯乙烯微球，得到二氧化硅反模板。

3）然后配制浓度为50wt%氯金酸的乙醇溶液，并将二氧化硅反模板浸泡其中，约0.5h后取出在空气中干燥。待其干燥完成后放入盛有二甲氨基甲硼烷的烧杯中还原12h。

4）待最终还原反应完成后，用0.5 mol/L HF溶液溶解二氧化硅反模板，然后用乙醇及去离子水清洗干净，得到样品。

图6所示为本实施例制得的金光子晶体和二氧化硅网复合物的SEM照片。

实施例4 金光子晶体的制备方法，步骤如下：

1）通过无皂乳液聚合法合成聚苯乙烯微球，将苯乙烯加入水和乙醇混合溶液中，其中苯乙烯、水和乙醇的体积比为1:6:14，并用氮气进行保护。将温度设定在71℃之间，待温度稳定后加入与加入体系中苯乙烯等体积的0.02g/ml的过硫酸钾溶液，进行反应。

2）以正硅酸乙酯、乙醇、0.1M的盐酸按照质量比为1：1.5：1的比例配制二氧化硅前驱液。然后将其与1）所制备聚苯乙烯微球乳液加入溶液中混合，其中聚苯乙烯微球乳液和前驱液的体积比为100:1。并放入65℃烘箱中生长3天，完成后在450℃的条件下煅烧5h除去聚苯乙烯微球，得到二氧化硅反模板。

3）然后配制浓度为50wt%氯金酸的乙醇溶液，并将二氧化硅反模板浸泡其中，约0.5h后取出在空气中干燥。待其干燥完成后放入盛有二甲氨基甲硼烷的烧杯中还原12h。还原后在空气中放置0.5h。然后继续将其继续浸泡在浓度为50wt%氯金酸的乙醇溶液中，约0.5h后取出在空气中干燥。待其干燥完成后放入盛有二甲氨基甲硼烷的烧杯中还原12h。

4）待最终还原反应完成后，用0.5 mol/L HF溶液溶解二氧化硅反模板，然后用乙醇及去离子水清洗干净，得到样品。

图7所示为本实施例制得的金光子晶体的SEM照片，从图中可以看出其表面形貌较好，微球排列均匀，球径大小均一且大面积有序，球径相对据聚苯乙烯微球无明显的收缩。相对于实施例3，本实施例能够保证金的填充率，从而制得具有良好表面形貌的产品。利用此方法合成金光子晶体材料，相对于传统的电沉积等方法简单，易行，且能够节省成本。

Claims (1)

1.一种金属光子晶体材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：

1）通过无皂乳液聚合法合成聚苯乙烯微球：将苯乙烯加水和乙醇混合溶液中，其中苯乙烯、水和乙醇的体积比为1:6:14，并用氮气进行保护；将温度设定在70~75℃之间，待温度稳定后加入与加入体系中苯乙烯等体积的0.02g/ml的过硫酸钾溶液，进行反应；

2）以正硅酸乙酯、乙醇、0.1M的盐酸按照质量比为1：1.5：1的比例配制二氧化硅前驱液；然后将其与1）所制备聚苯乙烯微球乳液加入溶液中混合，其中聚苯乙烯微球乳液和前驱液的体积比为100:1；并放入60~65℃的烘箱中生长2-3天，完成后在450℃的条件下通过煅烧5h除去聚苯乙烯微球，得到二氧化硅反模板；

3）然后配制氯金酸或氯铂酸的乙醇溶液，并将二氧化硅胶反模板浸泡其中；取出在空气中干燥，待其干燥完成后放入盛有二甲氨基甲硼烷的烧杯中还原12h；重复浸泡与还原过程0~2次；

4）还原反应完成后，用0.1~1 mol/L HF溶液溶解二氧化硅反模板，然后用乙醇及去离子水清洗干净，得到样品。

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