CN103803562B - 一种双尺寸氧化硅胶体晶体的制备方法 - Google Patents

一种双尺寸氧化硅胶体晶体的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双尺寸氧化硅胶体晶体的制备方法，利用控制胶体球在电场中的运动及基底的提拉速度，采用LiCl改性二氧化硅胶体球合成二氧化硅胶体晶体模板，反复填充氧化硅凝胶，使凝胶均匀地填充于胶体晶体模板中，再经双基片烘干和煅烧后即可获得周期性有序排列结构的双尺寸氧化硅胶体晶体。

Description

一种双尺寸氧化硅胶体晶体的制备方法
技术领域
本发明涉及一种双尺寸氧化硅胶体晶体的制备方法。
背景技术
光子晶体是指具有不同介电常数或是折射率的介质材料在一维、二维或是三维方向上呈周期性有序排列，从而对特定波长的光的传播起到选择性抑制或调制作用的材料。目前光子晶体的制备方法主要包括微细加工法和自组装法，其中自组装法以其设备工艺简单、成本低而受到青睐，但是自组装法存在结构单一的缺点，主要是通过球形胶体颗粒自组装形成六方密堆结构，这种结构也称为胶体晶体，而这恰恰限制了新型结构的开发，从而限制了胶体晶体的研究与应用开发。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双尺寸氧化硅胶体晶体的制备方法，可获得周期性排列的双尺寸氧化硅胶体晶体。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种双尺寸氧化硅胶体晶体的制备方法，包括如下步骤：
（1）配制质量浓度为0.08%～0.1%的LiCl水溶液，分别配置正硅酸乙酯的乙醇溶液A以及氨水的乙醇溶液B，其中溶液A与溶液B中无水乙醇量相等，无水乙醇总量与氨水的体积比为（5～12.5）：1，氨水的用量与正硅酸乙酯的体积比为（2～4）：1，再将2～4mL的LiCl水溶液加入到溶液B中，LiCl水溶液与氨水的体积比为1：（1～5），然后在不停搅拌下将溶液A加入溶液B中，反应20～22h后，分离沉淀，离心洗涤后于50～60℃干燥，得到表面改性的SiO2胶体球；
（2）称量SiO2胶体球，将其超声分散于有机溶液中，超声时间为2～3h，获得SiO2胶体球悬浮液，其颗粒的质量分数为1.5%～2.5%；
（3）将两片ITO玻片相互平行并竖直浸入SiO2胶体球悬浮液中，其中，两ITO玻片的间距为0.3～0.5cm，在两ITO玻片上通11～13V电压，通电40～60s后以0.3～0.5cm/min的速度提拉正极ITO玻片，最后于60℃烘干ITO玻片即获得SiO2胶体晶体模板；
（4）将柠檬酸溶于氨水中，氨水以能溶解柠檬酸为准，再称取一定量的正硅酸乙酯溶于其中，其中正硅酸乙酯与柠檬酸的摩尔比为1：（1～2），加入无水乙醇和水后再加入乙二醇，搅拌溶解后用氨水调PH值至7～9即配制成前驱体溶液，其中乙二醇的质量为柠檬酸质量的1/4～1/2，无水乙醇与柠檬酸的摩尔比为（9～12）：1，无水乙醇与水的体积比为1：（1～1.2）；前驱体溶液在80～90℃水浴蒸发1～1.5h后，将SiO2胶体晶体模板以一定角度浸入前驱体中5～10min，缓慢把膜层拉出，用吸附纸除去表面过量的前驱体溶液，如此反复三次，再在膜层表面压上一清洗烘干的玻片形成双基片，将其水平放置后在60～70℃下烘干，最后将双基片在500～600℃下煅烧3～4h后即获得双尺寸氧化硅胶体晶体。
优选地，所述步骤（2）中的有机溶液为乙醇或甲醇。所述步骤（4）中SiO2胶体晶体的浸入角度为与水平方向呈45～60度。
与现有技术相比，本发明提供的双尺寸氧化硅胶体晶体的制备方法中，采用LiCl改性的二氧化硅胶体球制备胶体晶体模板（即大尺寸球的排列），通过控制各工艺参数调节二氧化硅胶体颗粒的运动速度及基底的提拉速度，可获得不同排列方式及间隙大小的二氧化硅胶体晶体模板，再通过氧化硅半凝胶在胶体晶体模板中的反复填充而形成均匀的凝胶复合结构；最后在煅烧过程中，利用均匀填充于二氧化硅胶体晶体间隙处的凝胶的体积收缩和限制性晶体生长，从而获得了周期性有序排列的双尺寸氧化硅胶体晶体。
具体实施方式
下面结合实施例详细说明本发明的实施方式。
实施例1
一种双尺寸氧化硅胶体晶体的制备方法，包括如下步骤：
（1）配制质量浓度为0.08%的LiCl水溶液，分别配置正硅酸乙酯的乙醇溶液A以及氨水的乙醇溶液B，其中溶液A与溶液B中无水乙醇量相等，无水乙醇总量与氨水的体积比为5：1，氨水的用量与正硅酸乙酯的体积比为2：1，再将2mL的LiCl水溶液加入到溶液B中，LiCl水溶液与氨水的体积比为1：1，然后在不停搅拌下将溶液A加入溶液B中，反应20h后，分离沉淀，离心洗涤后于50℃干燥，得到表面改性的SiO2胶体球；
（2）称量SiO2胶体球，将其超声分散于乙醇中，超声时间为2h，获得SiO2胶体球悬浮液，其颗粒的质量分数为1.5%；
（3）将两片ITO玻片相互平行并竖直浸入SiO2胶体球悬浮液中，其中，两ITO玻片的间距为0.3cm，在两ITO玻片上通11V电压，通电40s后以0.3cm/min的速度提拉正极ITO玻片，最后于60℃烘干ITO玻片即获得SiO2胶体晶体模板；
（4）将柠檬酸溶于氨水中，氨水以能溶解柠檬酸为准，再称取一定量的正硅酸乙酯溶于其中，其中正硅酸乙酯与柠檬酸的摩尔比为1：1，加入无水乙醇和水后再加入乙二醇，搅拌溶解后用氨水调PH值至7即配制成前驱体溶液，其中乙二醇的质量为柠檬酸质量的1/4，无水乙醇与柠檬酸的摩尔比为9：1，无水乙醇与水的体积比为1：1；前驱体溶液在80℃水浴蒸发1h后，将SiO2胶体晶体模板以一定角度浸入前驱体中10min，缓慢把膜层拉出，用吸附纸除去表面过量的前驱体溶液，如此反复三次，再在膜层表面压上一清洗烘干的玻片形成双基片，将其水平放置后在60℃下烘干，最后将双基片在600℃下煅烧3h后即获得双尺寸氧化硅胶体晶体。
实施例2
一种双尺寸氧化硅胶体晶体的制备方法，包括如下步骤：
（1）配制质量浓度为0.1%的LiCl水溶液，分别配置正硅酸乙酯的乙醇溶液A以及氨水的乙醇溶液B，其中溶液A与溶液B中无水乙醇量相等，无水乙醇总量与氨水的体积比为12.5：1，氨水的用量与正硅酸乙酯的体积比为4：1，再将4mL的LiCl水溶液加入到溶液B中，LiCl水溶液与氨水的体积比为1：5，然后在不停搅拌下将溶液A加入溶液B中，反应22h后，分离沉淀，离心洗涤后于60℃干燥，得到表面改性的SiO2胶体球；
（2）称量SiO2胶体球，将其超声分散于甲醇中，超声时间为3h，获得SiO2胶体球悬浮液，其颗粒的质量分数为2.5%；
（3）将两片ITO玻片相互平行并竖直浸入SiO2胶体球悬浮液中，其中，两ITO玻片的间距为0.5cm，在两ITO玻片上通13V电压，通电60s后以0.5cm/min的速度提拉正极ITO玻片，最后于60℃烘干ITO玻片即获得SiO2胶体晶体模板；
（4）将柠檬酸溶于氨水中，氨水以能溶解柠檬酸为准，再称取一定量的正硅酸乙酯溶于其中，其中正硅酸乙酯与柠檬酸的摩尔比为1：2，加入无水乙醇和水后再加入乙二醇，搅拌溶解后用氨水调PH值至9即配制成前驱体溶液，其中乙二醇的质量为柠檬酸质量的1/2，无水乙醇与柠檬酸的摩尔比为12：1，无水乙醇与水的体积比为1：1.2；前驱体溶液在90℃水浴蒸发1.5h后，将SiO2胶体晶体模板以一定角度浸入前驱体中5min，缓慢把膜层拉出，用吸附纸除去表面过量的前驱体溶液，如此反复三次，再在膜层表面压上一清洗烘干的玻片形成双基片，将其水平放置后在60℃下烘干，最后将双基片在600℃下煅烧4h后即获得双尺寸氧化硅胶体晶体。
实施例3
一种双尺寸氧化硅胶体晶体的制备方法，包括如下步骤：
（1）配制质量浓度为0.085%的LiCl水溶液，分别配置正硅酸乙酯的乙醇溶液A以及氨水的乙醇溶液B，其中溶液A与溶液B中无水乙醇量相等，无水乙醇总量与氨水的体积比为7.55：1，氨水的用量与正硅酸乙酯的体积比为2.95：1，再将2～4mL的LiCl水溶液加入到溶液B中，LiCl水溶液与氨水的体积比为1：4.05，然后在不停搅拌下将溶液A加入溶液B中，反应22h后，分离沉淀，离心洗涤后于55℃干燥，得到表面改性的SiO2胶体球；
（2）称量SiO2胶体球，将其超声分散于甲醇中，超声时间为3h，获得SiO2胶体球悬浮液，其颗粒的质量分数为1.92%；
（3）将两片ITO玻片相互平行并竖直浸入SiO2胶体球悬浮液中，其中，两ITO玻片的间距为0.4cm，在两ITO玻片上通12V电压，通电50s后以0.4cm/min的速度提拉正极ITO玻片，最后于60℃烘干ITO玻片即获得SiO2胶体晶体模板；
（4）将柠檬酸溶于氨水中，氨水以能溶解柠檬酸为准，再称取一定量的正硅酸乙酯溶于其中，其中正硅酸乙酯与柠檬酸的摩尔比为1：1.2，加入无水乙醇和水后再加入乙二醇，搅拌溶解后用氨水调PH值至8即配制成前驱体溶液，其中乙二醇的质量为柠檬酸质量的1/3，无水乙醇与柠檬酸的摩尔比为10.05：1，无水乙醇与水的体积比为1：1.12；前驱体溶液在88℃水浴蒸发1.5h后，将SiO2胶体晶体模板以一定角度浸入前驱体中8min，缓慢把膜层拉出，用吸附纸除去表面过量的前驱体溶液，如此反复三次，再在膜层表面压上一清洗烘干的玻片形成双基片，将其水平放置后在70℃下烘干，最后将双基片在600℃下煅烧3h后即获得双尺寸氧化硅胶体晶体。
本发明中，当二氧化硅胶体晶体的浸入角度为与水平方向呈45～60度时，效果更佳。

Claims (1)

1.一种双尺寸氧化硅胶体晶体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)配制质量浓度为0.08％～0.1％的LiCl水溶液，分别配置正硅酸乙酯的乙醇溶液A以及氨水的乙醇溶液B，其中溶液A与溶液B中无水乙醇量相等，无水乙醇总量与氨水的体积比为(5～12.5)：1，氨水的用量与正硅酸乙酯的体积比为(2～4)：1，再将2～4mL的LiCl水溶液加入到溶液B中，LiCl水溶液与氨水的体积比为1：(1～5)，然后在不停搅拌下将溶液A加入溶液B中，反应20～22h后，分离沉淀，离心洗涤后于50～60℃干燥，得到表面改性的SiO2胶体球；
(2)称量SiO2胶体球，将其超声分散于有机溶液中，超声时间为2～3h，获得SiO2胶体球悬浮液，其颗粒的质量分数为1.5％～2.5％；
(3)将两片ITO玻片相互平行并竖直浸入SiO2胶体球悬浮液中，其中，两ITO玻片的间距为0.3～0.5cm，在两ITO玻片上通11～13V电压，通电40～60s后以0.3～0.5cm/min的速度提拉正极ITO玻片，最后于60℃烘干ITO玻片即获得SiO2胶体晶体模板；
(4)将柠檬酸溶于氨水中，氨水以能溶解柠檬酸为准，再称取一定量的正硅酸乙酯溶于其中，其中正硅酸乙酯与柠檬酸的摩尔比为1：(1～2)，加入无水乙醇和水后再加入乙二醇，搅拌溶解后用氨水调pH值至7～9即配制成前驱体溶液，其中乙二醇的质量为柠檬酸质量的1/4～1/2，无水乙醇与柠檬酸的摩尔比为(9～12)：1，无水乙醇与水的体积比为1：(1～1.2)；前驱体溶液在80～90℃水浴蒸发1～1.5h后，将SiO2胶体晶体模板以一定角度浸入前驱体中5～10min，缓慢把膜层拉出，用吸附纸除去表面过量的前驱体溶液，如此反复三次，再在膜层表面压上一清洗烘干的玻片形成双基片，将其水平放置后在60～70℃下烘干，最后将双基片在500～600℃下煅烧3～4h后即获得双尺寸氧化硅胶体晶体；
所述步骤(2)中的有机溶液为乙醇或甲醇；
所述步骤(4)中SiO2胶体晶体的浸入角度为与水平方向呈45～60度。
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