CN103616773A - 一种三维光子晶体帯隙的调节方法 - Google Patents
一种三维光子晶体帯隙的调节方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种三维光子晶体帯隙的调节方法。其包括如下步骤：清洗基片；使用垂直沉积法将单分散的聚苯乙烯微球乳液进行自组装，制备模板；用溶胶凝胶法制备五氧化二铌溶胶；向使用浸渍—提拉法所得聚苯乙烯模板间隙添加入五氧化二铌溶胶，干燥冷却后放入四氢呋喃溶液中，进行热处理；将上述获得的三维有序五氧化二铌光子晶体的基板平放入一上部带有石英窗口可密封容器中，在供氢剂的氛围下使用紫外灯辐照一段时间进行注氢；带隙移动，放入烘箱中处理一段时间，三维有序结构氧化二铌光子晶体脱氢，光子带隙逐步移动回初始位置。该调节方法具有结构简单、工艺操作等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光子技术领域，具体涉及一种光子晶体的调节方法。
背景技术
光子技术被认为是21世纪对信息技术的发展最具推动力的一门技术。相对于电子载体，光子具有更快的速度，且几乎没有相互作用，随着纳米尺度下电子器件集成化的难度越来越大，基于光子运动的光子器件，特别是光子晶体这种可控制光子运动的新结构材料的出现，给人们带来了克服“电子瓶颈”的希望。作为信息载体的光子，无论在信息的传输还是信号的处理方面都具有独特的优越性，如传输速度快、抗干扰能力强和不存在散热问题等。而其中一种最具潜力的光学材料就是光子晶体。
光子晶体是具有光子能带及能隙的一类新材料，当光的频率位于光子带隙范围内时，将不能在光子晶体中传播。由于光子带隙的存在，产生了许多崭新的物理性质，使其成为当今世界的一个研究热点。光子晶体分为一维、二维和三维光子晶体，只有三维光子晶体能产生全方向的完全禁带，相比一维、二维光子晶体仅能产生方向禁带，三维光子晶体具有更普遍的实用性。
目前所制备的光子晶体绝大多数是不可调的，即光子晶体制作出来之后，禁带的位置、形状就不能再发生变化。如果光子晶体的禁带可调，那必将产生一系列的新效应、新现象，使基于光子晶体的光调制器成为可能。目前大多数文献和专利报道的调节光子晶体的禁带的方法是通过施加电场、磁场或者改变温度来实现的，通过施加光场的方法报道很少。
五氧化二铌是常用的光学材料之一，正常状态下无色透明。在紫外光的作用下，五氧化二铌可被注入氢原子，颜色变为浅蓝色，同时折射率发生变化，根据我们的测试结果，在小于760nm的波段，注氢后折射率下降，在大于760nm的波段，注氢后折射率上升。这种折射率的变化可以通过热处理等脱氢过程进行恢复。三维光子晶体的光子禁带位置受折射率的影响，因此使用五氧化二铌制备为三维光子晶体结构后，可以通过注氢\脱氢的过程对其折射率进行调节，进而对其带隙位置进行调节。具体的说，原来光子禁带小于760nm的五氧化二铌光子晶体，注氢后光子带隙蓝移，原来光子禁带大于760nm的五氧化二铌光子晶体，注氢后光子带隙红移。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明的目的是提出一种使用光致变色原理调节光子晶体的光子带隙的方法。
本发明还提供了一种能利用上述方法调节其光子晶体帯隙的氧化二铌三维光子晶体。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种三维光子晶体帯隙的调节方法，包括以下步骤：
1）制备具有光致变性能的三维有序结构五氧化二铌光子晶体；
2）将步骤1）中所得三维有序结构五氧化二铌光子晶体的基片放入带有石英窗口的密封器皿中，在器皿中充入含有活性氢原子的有机物做为供氢剂，基片在供氢剂的氛围下使用紫外灯辐照一段时间进行注氢，这时光子晶体的光子帯隙将发生蓝移；
3）将步骤2）中所得已经注氢的三维有序结构五氧化二铌光子晶体放置在烘箱中处理一段时间，三维有序结构氧化二铌光子晶体脱氢，光子带隙逐步红移至初始位置。
其中，上述步骤2）中的供氢剂选自有机物液体或气体。
其中，上述步骤2）中供氢剂有机物选自含羟基、醛基的有机物。
其中，上述步骤3）中烘箱处理的温度是50℃～150℃。
本发明提供的调节方法，可对三维光子晶体的带隙进行调节。本发明的调节方法与已经报道的三维光子晶体带隙调节方法相比，本发明可实现非接触调节。比如有报道使用调节PH值来调节光子带隙的方法，该方法需要将光子晶体浸泡在特定PH值的液体中来实现对光子带隙的调节。本发明提供的这种控制光子带隙的方法是可逆、可循环的，且整个工艺过程安全，无需昂贵设备。
附图说明
图1是实施例1、2中所使用装置示意图。
图2是实施例3、4中所使用装置示意图。
图3是实施例1～4中三维有序结构五氧化二铌薄膜的扫描电镜图。
图4是实施例1～4中三维有序结构五氧化二铌薄膜光子带隙的调节示意图。
具体实施方式：
以下实施例用于进一步说明本发明，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的前提下，对本发明所作的修饰或者替换，均属于本发明的范畴。
实施例1
1）将基片在超纯水中超声清洗20分钟，自然晾干。
2）使用垂直沉积法将单分散的聚苯乙烯微球乳液进行自组装，制备模板。
3）用溶胶凝胶法制备五氧化二铌溶胶：将一定量的五氧化二铌粉末与氢氟酸加入水热反应釜内胆中，在烘箱内80℃加热10小时，所得五氟化铌溶液加入3摩尔/升的草酸铵溶液中，向混合溶液中滴加氨水使氢氧化铌析出，至溶液呈碱性则反应完全，清洗沉淀以去除氟离子，将洗净的沉淀加入0.6摩尔/升的柠檬酸溶液中，水浴加热40℃搅拌24小时，制得五氧化二铌溶胶。
4）使用浸渍—提拉法向步骤2所得聚苯乙烯模板间隙添加步骤3所得五氧化二铌溶胶，提拉速度为300微米/秒，提拉次数为3次。将样品放入干燥箱中于60℃下干燥48小时，冷却，取出。
5）将步骤4样品放入四氢呋喃溶液中，0.5小时后取出。将样品放在500℃下进行热处理，升温速度为2℃/min，保温1小时，即得到三维有序结构的五氧化二铌光子晶体。
6）将步骤5中所得三维有序五氧化二铌光子晶体的基板平放入一上部带有石英窗口可密封容器中，向器皿中加入二甲基甲酰胺做为供氢剂，二甲基甲酰胺液面没过基片，使用250W汞灯照射三维有序五氧化二铌光子晶体2小时。
7）将步骤6中所得已经注氢的三维有序结构五氧化二铌光子晶体放置在烘箱中50℃处理6小时，三维有序结构氧化二铌光子晶体脱氢褪色。
8）分别测试三维有序结构五氧化二铌薄膜初始态、着色态的反射光谱。
结果见图3和4，结果表明本发明提供的方法可有效的调节三维有序结构氧化二铌光子晶体的帯隙。
实施例2
1）将基片在超纯水中超声清洗30分钟，自然晾干。
2）使用室温漂浮法将单分散的聚苯乙烯微球乳液进行自组装，制备模板。
3）用溶胶凝胶法制备五氧化二铌溶胶：将一定量的五氧化二铌粉末与氢氟酸加入水热反应釜内胆中，在烘箱内80℃加热10小时，所得五氟化铌溶液加入3摩尔/升的草酸铵溶液中，向混合溶液中滴加氨水使氢氧化铌析出，至溶液呈碱性则反应完全，清洗沉淀以去除氟离子，将洗净的沉淀加入0.6摩尔/升的柠檬酸溶液中，水浴加热40℃搅拌24小时，制得五氧化二铌溶胶。
4）使用浸渍—提拉法向步骤2所得聚苯乙烯模板间隙添加步骤3所得五氧化二铌溶胶，提拉速度为400微米/秒，提拉次数为3次。将样品放入干燥箱中于80℃下干燥48小时，冷却，取出。
5）将步骤4样品放入四氢呋喃溶液中，0.5小时后取出。将样品放在800℃下进行热处理，升温速度为3℃/min，保温1小时，即得到三维有序结构的五氧化二铌光子晶体。
6）将步骤5中所得三维有序五氧化二铌光子晶体的基板放入一上部带有石英窗口可密封容器中，向容器中加入冰醋酸作为供氢剂，冰醋酸液面没过基片，使用250W汞灯照射三维有序五氧化二铌光子晶体2小时。
7）将步骤6中所得已经注氢的三维有序结构五氧化二铌光子晶体放置在烘箱中80℃处理3小时，三维有序结构氧化二铌光子晶体脱氢褪色。
8）分别测试三维有序结构五氧化二铌薄膜初始态、着色态的反射光谱。
结果见图3和4，结果表明本发明提供的方法可有效的调节三维有序结构氧化二铌光子晶体的帯隙。
实施例3
1）将基片依次在丙酮、甲醇、超纯水中超声清洗20分钟，自然晾干。
2）使用垂直沉积法将单分散的聚苯乙烯微球乳液进行自组装，制备模板。
3）用溶胶凝胶法制备五氧化二铌溶胶：将一定量的五氧化二铌粉末与氢氟酸加入水热反应釜内胆中，在烘箱内80℃加热10小时，所得五氟化铌溶液加入3摩尔/升的草酸铵溶液中，向混合溶液中滴加氨水使氢氧化铌析出，至溶液呈碱性则反应完全，清洗沉淀以去除氟离子，将洗净的沉淀加入0.6摩尔/升的柠檬酸溶液中，水浴加热40℃搅拌24小时，制得五氧化二铌溶胶。
4）使用浸渍—提拉法向步骤2所得聚苯乙烯模板间隙添加步骤3所得五氧化二铌溶胶，提拉速度为500微米/秒，提拉次数为3次。将样品放入干燥箱中于80℃下干燥48小时，冷却，取出。
5）将步骤4样品放入四氢呋喃溶液中，0.5小时后取出。将样品放在500℃下进行热处理，升温速度为4℃/min，保温1小时，即得到三维有序结构的五氧化二铌光子晶体。
6）将步骤5中所得三维有序五氧化二铌光子晶体的基板放入可密封器皿中，器皿两端分别连接装有甲醛的单口烧瓶和空气泵，上端使用石英片覆盖，开启空气泵使甲醛蒸汽充满器皿内，使基板在甲醛蒸汽的氛围内开启紫外灯照射2小时。
7）将步骤6中所得已经注氢的三维有序结构五氧化二铌光子晶体放置在烘箱中120℃处理1小时，三维有序结构氧化二铌光子晶体脱氢褪色。
8）分别测试三维有序结构五氧化二铌薄膜初始态、着色态的反射光谱。
结果见图3和4，结果表明本发明提供的方法可有效的调节三维有序结构氧化二铌光子晶体的帯隙。
实施例4
1）将基片依次在丙酮、甲醇、超纯水中超声清洗30分钟，自然晾干。
2）使用室温漂浮法将单分散的聚苯乙烯微球乳液进行自组装，制备模板。
3）用溶胶凝胶法制备五氧化二铌溶胶：将一定量的五氧化二铌粉末与氢氟酸加入水热反应釜内胆中，在烘箱内80℃加热10小时，所得五氟化铌溶液加入3摩尔/升的草酸铵溶液中，向混合溶液中滴加氨水使氢氧化铌析出，至溶液呈碱性则反应完全，清洗沉淀以去除氟离子，将洗净的沉淀加入0.6摩尔/升的柠檬酸溶液中，水浴加热40℃搅拌24小时，制得五氧化二铌溶胶。
4）使用浸渍—提拉法向步骤2所得聚苯乙烯模板间隙添加步骤3所得五氧化二铌溶胶，提拉速度为600微米/秒，提拉次数为3次。将样品放入干燥箱中于80℃下干燥48小时，冷却，取出。
5）将步骤4样品放入四氢呋喃溶液中，0.5小时后取出。将样品放在500℃下进行热处理，升温速度为5℃/min，保温1小时，即得到三维有序结构的五氧化二铌光子晶体。
6）将步骤5中所得三维有序五氧化二铌光子晶体的基板放入可密封器皿中，器皿两端分别连接装有乙醇的单口烧瓶和空气泵，上端使用石英片覆盖，开启空气泵使乙醇蒸汽充满器皿内，使基板在乙醇蒸汽的氛围内开启紫外灯照射2小时。
7）将步骤6中所得已经注氢的三维有序结构五氧化二铌光子晶体放置在烘箱中150℃处理0.5小时，三维有序结构氧化二铌光子晶体脱氢褪色。
8）分别测试三维有序结构五氧化二铌薄膜初始态、着色态的反射光谱。
结果见图3和4，结果表明本发明提供的方法可有效的调节三维有序结构氧化二铌光子晶体的帯隙。
Claims (5)
1.一种三维光子晶体帯隙的调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）制备具有光致变性能的三维有序结构五氧化二铌光子晶体；
2）将步骤1）中所得三维有序结构五氧化二铌光子晶体的基片放入带有石英窗口的密封器皿中，在器皿中充入含有活性氢原子的有机物做为供氢剂，基片在供氢剂的氛围下使用紫外灯辐照一段时间进行注氢，这时光子晶体的光子帯隙将发生蓝移；
3）将步骤2）中所得已经注氢的三维有序结构五氧化二铌光子晶体放置在烘箱中处理一段时间，三维有序结构氧化二铌光子晶体脱氢，光子带隙逐步红移至初始位置。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2）中的供氢剂选自有机物液体或气体。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤2）中供氢剂有机物选自含羟基、醛基的有机物。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3）中烘箱处理的温度是50℃～150℃。
5.通过权利要求1所述的调节方法其光子晶体帯隙可调的氧化二铌三维光子晶体。
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