CN103616764B - 一种利用电压调节三维光子晶体光子带隙的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用电压调节三维光子晶体的光子带隙的方法。其原理是通过控制电压的方向，具有三维光子晶体结构的三氧化钨会相应地发生离子的注入和抽出，使晶体结构发生变化，导致三维光子晶体的折射率发生变化，从而实现对三维光子晶体光子带隙的调节。操作方法安全、简单，调节精度高，可逆可循环。

Description

一种利用电压调节三维光子晶体光子带隙的方法
技术领域
本发明涉及一种利用电压调节三维光子晶体光子带隙的方法。
背景技术
光子晶体这一概念最早是由Yablonovitch和John提出的，其是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。由于其具有光子带隙的重要优越特点，在很多现代高新技术领域中都扮演着重要角色。
光子带隙是光子晶体最根本的特征，落在带隙中的光被禁止传播。由于光子带隙的存在，人们可以通过改变带隙来实现对不同波长光的操控。影响光子带隙的因素有两种介质材料的介电常数比（或折射率比）和光子晶体的结构，因此，改变光子带隙可以从这两方面考虑：一是改变折射率进行调制，二是改变光子晶体周期结构进行调制。因为改变光子晶体周期结构需要借助复杂的设备并且操作繁琐，所以我们选择通过改变光子晶体折射率来改变其带隙。
本发明调节三维光子晶体光子带隙的原理是通过控制电压的方向，具有三维光子晶体结构的三氧化钨会相应地发生离子的注入和抽出，使晶体结构发生变化，导致三维光子晶体的折射率发生变化，从而实现对三维光子晶体光子带隙的调节。操作方法安全、简单，调节精度高，可逆可循环。
发明内容
本发明提供了一种利用电压调节三维光子晶体的光子带隙的方法。
本发明利用电压调节三维光子晶体的光子带隙的方法按下列步骤实现：
1.将导电基板FTO分别于丙酮、甲醇、超纯水中超声清洗20min，除去其表面的灰尘及油脂，得到清洁的FTO基片，放入烘箱。干燥后将其置于体积分数为0.4%～0.6%的聚苯乙烯（PS）微球溶液中，放入恒温箱内，以50～70℃的温度沉积4～6天制备得到PS模板。
2.向盛有浓度为30%双氧水的烧杯中加入钨粉中，将其置于冰水浴中反应1～2天，过滤。向滤液中加入无水乙醇，蒸发溶液得到橙色透明状溶胶，即三氧化钨溶胶。
3.采用提拉法在制得的PS模板间隙中填充三氧化钨溶胶，提拉速度为300～350μm/s，提拉次数为4～6次。将样品放入干燥箱中于50～55℃下干燥45～50h，冷却，取出。将制得的样品放在100～150℃下进行热处理2～3h，升温速度为5～10℃/min，得到具有三维大孔有序结构（3DOM）的三氧化钨薄膜。
4.使用配有三电极系统的电化学工作站CHI660C，分别使用制得的3DOM三氧化钨薄膜/FTO导电玻璃为工作电极，银丝为参比电极以及铂片为对电极来进行实验。将三者置于盛有高氯酸锂/丙烯碳酸酯电解液的电解池中，其中作为工作电极的3DOM三氧化钨薄膜/FTO导电玻璃置于距离鲁金毛细管管径的1/2处。对薄膜施加-1～3V的电压，使锂离子注入晶格中，3DOM三氧化钨薄膜的光子带隙发生蓝移至619nm处；对薄膜施加+1～3V的电压，使锂离子从晶格中抽出时，3DOM三氧化钨薄膜的光子带隙发生红移至起始位置644nm处。
附图说明：
图1是三氧化钨晶体结构示意图；
图2是溶胶凝胶法制备WO3薄膜的工艺流程图；
图3是PS模板的扫描电镜照片；
图4是3DOM三氧化钨薄膜的扫描电镜照片；
图5是3DOM三氧化钨薄膜的反射光谱变化曲线，a—表示初始态的WO3薄膜的反射光谱曲线，b—表示着色态的WO3薄膜的反射光谱曲线，c—表示退色态的WO3薄膜的反射光谱曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式利用电压调节三维光子晶体光子带隙的方法按下列步骤实施：
1.向PS微球溶液中加入超纯水调节微球溶液的体积分数至0.4%～0.6%，放入恒温箱内，在导电基板FTO上以50～70℃的温度沉积4～6天得到PS模板。
2.将一定量的钨粉溶解在30%的双氧水中，置于冰水浴反应1～2天，过滤。向滤液中加入无水乙醇，蒸发溶液得到橙色透明状溶胶。
3.使用提拉法向步骤1得到的模板间隙填充步骤2得到的三氧化钨溶胶，提拉速度为300～350μm/s，提拉次数为4～6次。将样品放入干燥箱中于50～55℃下干燥45～50h，冷却，取出。
4.将步骤3得到的样品放在100～150℃下进行热处理2～3h，升温速度为5～10℃/min，得到3DOM三氧化钨薄膜。
5.使用配有三电极系统的电化学工作站CHI660C，分别使用步骤4所得的3DOM三氧化钨薄膜/FTO导电玻璃为工作电极，银丝为参比电极以及铂片为对电极来进行实验。
6.将三者置于高氯酸锂/丙烯碳酸酯电解液中，其中作为工作电极的3DOM三氧化钨薄膜/FTO导电玻璃置于距离鲁金毛细管管径的1/2处，此时，对薄膜施加±1～3V的电压，进行锂离子的注入和抽出。
此时可对薄膜的初始态、着色态以及脱色态进行反射光谱测试，以确认施加电压后，三维光子晶体的光子带隙是否发生位移以及位移量。通过反射光谱测试发现，与初始态相比，当施加电压使锂离子注入时，3DOM三氧化钨薄膜的光子带隙发生蓝移至619nm处，而当施加反向电压使锂离子抽出时，其光子带隙红移至起始位置644nm处。
本发明调节三维光子晶体光子带隙的原理是通过控制电压的方向，具有光子晶体结构的三氧化钨会相应地发生离子的注入和抽出。当体心位置空缺时，W的价态为+6价，此时三氧化钨薄膜呈现透明态；当锂离子填充体心位置时，W的价态降低，从而形成WⅤ与WⅥ的混合价态化合物，此时三氧化钨薄膜呈现蓝色。随着锂离子的注入和抽出，晶体结构发生变化，导致三维光子晶体的折射率发生变化，从而实现对三维光子晶体光子带隙的调节。通过反射光谱测试发现，当施加电压使离子注入晶格时，3DOM三氧化钨薄膜的光子带隙发生蓝移，而当施加反向电压使离子从晶格中抽出时，其光子带隙红移至起始位置。这是因为当离子注入三氧化钨中时，其光学吸收会发生变化，会产生一个变化幅度最大的吸收波长WM，这个波长一般在红外波段。同时其折射率也会发生变化：在小于WM的波段，材料折射率下降；在大于WM的波段，折射率上升。用步骤1中的方法制备出的三维光子晶体的光子禁带一般在可见波段，这个波段一般小于WM，折射率下降，这将会导致光子带隙蓝移。
因此对于具有三维有序结构的三氧化钨来讲，通过控制电压的方向可以达到调节其光子带隙的目的。
本发明的有益效果在于可以实现对三维光子晶体带隙的调节，操作方法安全、简单，调节精度高，可逆可循环。

Claims (2)

1.一种利用电压调节三维光子晶体光子带隙的方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）向PS微球溶液中加入超纯水调节微球溶液的体积分数至0.4%～0.6%，放入恒温箱内，在导电基板FTO上以50～70℃的温度沉积4～6天得到PS模板；
（2）将一定量的钨粉溶解在30%的双氧水中，置于冰水浴反应1～2天，过滤，然后向滤液中加入无水乙醇，蒸发溶液得到橙色透明状溶胶；
（3）使用提拉法向步骤（1）得到的PS模板间隙填充步骤（2）得到的三氧化钨溶胶，提拉速度为300～350μm/s，提拉次数为4～6次，然后将样品放入干燥箱中于50～55℃下干燥45～50h，冷却，取出；
（4）将步骤（3）得到的样品放在100～150℃下进行热处理2～3h，升温速度为5～10℃/min，得到3DOM三氧化钨薄膜；
（5）使用配有三电极系统的电化学工作站CHI660C，分别使用步骤(4)所得的3DOM三氧化钨薄膜/FTO导电玻璃为工作电极，银丝为参比电极以及铂片为对电极来进行实验；
（6）将三者置于高氯酸锂/丙烯碳酸酯电解液中，其中作为工作电极的3DOM三氧化钨薄膜/FTO导电玻璃置于距离鲁金毛细管管径的1/2处，此时，对薄膜施加±1～3V的电压，进行锂离子的注入和抽出。
2.如权利要求1所述的利用电压调节三维光子晶体光子带隙的方法，其特征在于：所述步骤（6）锂离子注入和抽出后，对3DOM三氧化钨薄膜的初始态、着色态以及脱色态进行反射光谱测试，以确认施加电压后三维光子晶体的光子带隙是否发生位移以及位移量。
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