CN103880018B - 一种SiO2-SiO2同质双尺寸胶体晶体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种SiO2-SiO2同质双尺寸胶体晶体的制备方法，采用KCl在正硅酸乙酯的反应体系中制备出表面荷电的二氧化硅胶体球，并利用电场在ITO玻璃基底上自组装形成二氧化硅胶体晶体，通过沉浸法和双基片注射的方法将氧化硅凝胶均匀地填充于二氧化硅胶体晶体模板中，再经干燥和煅烧后即可获得周期性有序的新型SiO2-SiO2同质双尺寸胶体晶体结构。

Description

一种SiO2-SiO2同质双尺寸胶体晶体的制备方法
技术领域
本发明涉及一种SiO2-SiO2同质双尺寸胶体晶体的制备方法。
背景技术
利用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称为光子晶体。自组装法为光子晶体目前主要的制备方法之一，其主要采用二氧化硅、聚苯乙烯等胶体球在特定基底上进行自组装而形成密堆积结构，通常这种方法所得的胶体晶体以面心立方密堆为主，且其平行于基底面为（111）面的六方排列结构，限制了新型结构的开发应用。而双尺寸胶体晶体可作为单尺寸胶体晶体的补充，有望弥补单一尺寸光子晶体表现出的带隙较窄的缺陷。
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SiO2-SiO2同质双尺寸胶体晶体的制备方法，可制备新型周期性有序SiO2-SiO2同质双尺寸胶体晶体。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种SiO2-SiO2同质双尺寸胶体晶体的制备方法，包括如下步骤：
（1）配制质量浓度为0.12%～0.2%的KCl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KCl水溶液加入到溶液B中，KCl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纳米球或亚微米球粉体；
（2）称量SiO2粉体，将其超声分散于有机溶液（例如乙醇或甲醇）中，超声时间为2～3h，获得SiO2颗粒悬浮液，其颗粒的质量分数为2%～2.5%；
（3）将两片ITO玻片相互平行并竖直浸入SiO2颗粒悬浮液中，其中，两ITO玻片的间距为0.4～0.6cm，在两ITO玻片上通10～14V电压，通电20～40s后以0.5～0.7cm/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，其中柠檬酸的摩尔数为正硅酸乙酯摩尔数的1～2.5倍，加入无水乙醇和水后用氨水调PH值至8～10即配制成前驱体溶液，其中无水乙醇和水的用量与氨水总用量的体积比均为（1～2）：1；前驱体溶液在80～90℃水浴蒸发2～3h后获得凝胶，将表面盖一块玻璃基片的二氧化硅胶体晶体以一定角度浸入凝胶中，再将凝胶不断注射到双基片中，反复几次后缓慢把膜层拉出，用吸附纸除去表面过量的凝胶，然后在膜层表面压上一清洗烘干的玻片后进行水平放置并在70～80℃下烘干，最后将双基片在550～650℃下煅烧4～5h后即获得SiO2-SiO2同质双尺寸胶体晶体。
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SiO2-SiO2同质双尺寸胶体晶体的制备方法中，将KCl的水溶液加入二氧化硅的反应体系中，从而在制备二氧化硅胶体球颗粒的同时对其表面进行改性，以提高其Zeta电位，利用高Zeta电位二氧化硅胶体球在电场作用下向基底的快速运动及基底向上的相对运动，自组装全成不同排列结构及间隙大小的二氧化硅胶体晶体模板。通过氧化硅前驱体溶液的配置及凝胶化过程，结合沉浸法和双基片注射的方法使凝胶有效均匀地填充于二氧化硅胶体晶体模板的间隙中，在煅烧过程中，结合凝胶自身体积收缩及限制性生长的特点，并利用凝胶制备出的为非晶态二氧化硅，与所制备的二氧化硅 胶体球为同质材料，因此二氧化硅在结晶过程中将在胶体球的表面包裹形成小颗粒，从而获得均匀有序的新型SiO2-SiO2同质双尺寸胶体晶体。
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SiO2-SiO2同质双尺寸胶体晶体的制备方法，包括如下步骤：
（1）配制质量浓度为0.12%的KCl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KCl水溶液加入到溶液B中，KCl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纳米球或亚微米球粉体；
（2）称量SiO2粉体，将其超声分散于乙醇中，超声时间为2h，获得SiO2颗粒悬浮液，其颗粒的质量分数为2%；
（3）将两片ITO玻片相互平行并竖直浸入SiO2颗粒悬浮液中，其中，两ITO玻片的间距为0.4cm，在两ITO玻片上通10V电压，通电20s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，其中柠檬酸的摩尔数与正硅酸乙酯摩尔数相等，加入无水乙醇和水后用氨水调PH值至8即配制成前驱体溶液，其中无水乙醇和水的用量与氨水总用量的体积比均为1：1；前驱体溶液在80℃水浴蒸发2h后获得凝胶，将表面盖一块玻璃基片的二氧化硅胶体晶体以一定角度浸入凝胶中，再将凝胶不断注射到双基片中，反复几次后缓慢把膜层拉出，用吸附纸除去表面过量的凝胶，然后在膜层表面压上一清洗烘干的玻片后进行水平放置并在70℃下烘干，最后将双基片在550℃下煅烧4h后即获得SiO2-SiO2 同质双尺寸胶体晶体。
实施例2
一种SiO2-SiO2同质双尺寸胶体晶体的制备方法，包括如下步骤：
（1）配制质量浓度为0.2%的KCl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KCl水溶液加入到溶液B中，KCl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纳米球或亚微米球粉体；
（2）称量SiO2粉体，将其超声分散于甲醇中，超声时间为3h，获得SiO2颗粒悬浮液，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颗粒悬浮液中，其中，两ITO玻片的间距为0.6cm，在两ITO玻片上通14V电压，通电40s后以0.7cm/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，其中柠檬酸的摩尔数为正硅酸乙酯摩尔数的2.5倍，加入无水乙醇和水后用氨水调PH值至10即配制成前驱体溶液，其中无水乙醇和水的用量与氨水总用量的体积比均为2：1；前驱体溶液在90℃水浴蒸发3h后获得凝胶，将表面盖一块玻璃基片的二氧化硅胶体晶体以一定角度浸入凝胶中，再将凝胶不断注射到双基片中，反复几次后缓慢把膜层拉出，用吸附纸除去表面过量的凝胶，然后在膜层表面压上一清洗烘干的玻片后进行水平放置并在80℃下烘干，最后将双基片在650℃下煅烧4h后即获得SiO2-SiO2同质双尺寸胶体晶体。
实施例3
一种SiO2-SiO2同质双尺寸胶体晶体的制备方法，包括如下步骤：
（1）配制质量浓度为0.165%的KCl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7.75：1，氨水的用量与正硅酸乙酯的体积比为3.2：1，再将3mL的KCl水溶液加入到溶液B中，KCl水溶液与氨水的体积比为1：2.85，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60℃干燥，得到表面改性的SiO2纳米球或亚微米球粉体；
（2）称量SiO2粉体，将其超声分散于乙醇中，超声时间为3h，获得SiO2颗粒悬浮液，其颗粒的质量分数为2.25%；
（3）将两片ITO玻片相互平行并竖直浸入SiO2颗粒悬浮液中，其中，两ITO玻片的间距为0.5cm，在两ITO玻片上通12V电压，通电30s后以0.6cm/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，其中柠檬酸的摩尔数为正硅酸乙酯摩尔数的1.75倍，加入无水乙醇和水后用氨水调PH值至9即配制成前驱体溶液，其中无水乙醇和水的用量与氨水总用量的体积比均为1.75：1；前驱体溶液在80℃水浴蒸发3h后获得凝胶，将表面盖一块玻璃基片的二氧化硅胶体晶体以一定角度浸入凝胶中，再将凝胶不断注射到双基片中，反复几次后缓慢把膜层拉出，用吸附纸除去表面过量的凝胶，然后在膜层表面压上一清洗烘干的玻片后进行水平放置并在70℃下烘干，最后将双基片在550℃下煅烧5h后即获得SiO2-SiO2同质双尺寸胶体晶体。
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SiO2-SiO2同质双尺寸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0.12％～0.2％的KCl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KCl水溶液加入到溶液B中，KCl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纳米球或亚微米球粉体；
(2)称量SiO2粉体，将其超声分散于有机溶液中，超声时间为2～3h，获得SiO2颗粒悬浮液，其颗粒的质量分数为2％～2.5％；
(3)将两片ITO玻片相互平行并竖直浸入SiO2颗粒悬浮液中，其中，两ITO玻片的间距为0.4～0.6cm，在两ITO玻片上通10～14V电压，通电20～40s后以0.5～0.7cm/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，其中柠檬酸的摩尔数为正硅酸乙酯摩尔数的1～2.5倍，加入无水乙醇和水后用氨水调PH值至8～10即配制成前驱体溶液，其中无水乙醇和水的用量与氨水总用量的体积比均为(1～2)：1；前驱体溶液在80～90℃水浴蒸发2～3h后获得凝胶，将表面盖一块玻璃基片的二氧化硅胶体晶体以一定角度浸入凝胶中，再将凝胶不断注射到双基片中，反复几次后缓慢把膜层拉出，用吸附纸除去表面过量的凝胶，然后在膜层表面压上一清洗烘干的玻片后进行水平放置并在70～80℃下烘干，最后将双基片在550～650℃下煅烧4～5h后即获得SiO2-SiO2同质双尺寸胶体晶体；
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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