CN108398733B - 一种二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体及其制备方法。该一维光子晶体是由二氧化钛薄膜和二氧化硅薄膜构成的多层膜结构，该一维光子晶体光子禁带中心波长可在380‑800纳米之间任意调节，禁带中心波长的反射率最高可达99％。该一维光子晶体是通过旋涂在衬底上制备含钛前驱体薄膜后通过热处理获得二氧化钛薄膜；再于二氧化钛薄膜表面通过旋涂和热处理获得含硅前驱体薄膜而获得交替的二氧化钛/二氧化硅多层膜结构。本发明通过改变前驱体的化学结构、浓度及旋涂转速可以容易地获得不同厚度的薄膜，从而调控其光子禁带中心波长。本发明可廉价、高效地制备二氧化钛、二氧化硅薄膜以及二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体。
Description
技术领域
本发明属于薄膜制备技术领域，具体涉及一种二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体及其制备方法。
背景技术
一维光子晶体，是指介质频率在空间中沿单一方向呈周期性分布的一类有序结构，相当于不同介质组成的多层膜材料。由于光子晶体能够控制光在其中的传播，所以它的应用十分广泛。光子禁带、光子局域、负折射和超色散等特性都可以用来设计和制作光子晶体的高性能器件，例如全角度反射镜、滤波器、光子晶体分光镜、垂直腔面发射激光器(VCSEL)中制备谐振腔的关键器件分布式布拉格反射镜(DBR)。
要形成有效的光子禁带，必须满足以下三个条件：1)需要有高度有序的高折射率层与低折射率层的交替分布；2)构成光子晶体结构的两层组分之间要有比较明显的折射率差；3)结构单元厚度要与禁带位置在同一数量级。因此，制备一维光子晶体的关键在于介质纳米薄膜的制备。
为了获得高反射率，两种材料要有较大的折射率差，二氧化钛(折射率n≈2.4)和二氧化硅(折射率n≈1.5)化学性质稳定，透明度高，是制备布拉格反射镜的常用材料。对于布拉格反射镜，不仅要求膜层平整度高，杂质少，以减少光的散射，而且要求对衬底的附着力高，以延长器件的使用寿命。物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和溶胶-凝胶(Sol-Gel)法是目前制备二氧化硅和二氧化钛薄膜的主要方法，已有大量的论文和专利文献报道。
在二氧化硅薄膜的制备方面，有大量的文献报道，例如文献1(L.González-Garcíaet al.,Solution processed high refractive index contrast distributed Braggreflectors,Journal of Materials Chemistry,2010,20:6408.)；文献2(IdaPavlichenko et al.,Tunable thermoresponsive TiO2/SiO2Bragg stacks based onsol–gel fabricationmethods,Journal of Intelligent Material Systems andStructures,24(18):2204–2214)公开了以钛酸四异丙酯为前驱体制备了二氧化钛溶胶通过旋涂、干燥获得高折射率层，旋涂二氧化硅纳米颗粒分散液获得低折射率层，通过调控膜厚制备了具有不同结构色的DBR；文献3(中国专利：公开号CN 103540908 A)公开了用原硅酸四乙酯(TEOS)以等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积二氧化硅薄膜；文献4(中国专利：专利号CN 102758200 B)公开了用TEOS为原料制备了二氧化硅溶胶，旋涂于有二氧化硅层的硅片表面，通过高温煅烧和后续的退火，制备了表面质量较好的二氧化硅薄膜；文献5(中国专利，专利号CN 103057194 B)公开了以聚二烯丙基二甲基氯化铵为模板，以二氧化硅胶体为原料制备了多孔二氧化硅薄膜；文献6(中国专利，专利号CN 102832119 B)公开了以SiH4和含氧气体为源通过PECVD制备了二氧化硅薄膜后，再将含氧等离子体通入腔中，对该低温二氧化硅薄膜进行远程等离子体处理，改善了二氧化硅薄膜的稳定性；文献7(中国专利，专利号CN 104674185 A)公开了以正硅酸乙酯为硅源通过化学气相沉积制备了二氧化硅薄膜。
在二氧化钛薄膜的制备方面，也有大量文献报道，各种化学气相沉积方法(如MOCVD，PECVD等)、物理沉积方法(如磁控溅射、电子束蒸镀、原子层沉积等)以及溶胶-凝胶法都可用于二氧化钛薄膜的制备。例如文献8(Kai Jiang et al.,Low-temperature,solution processing of TiO2thin films and fabrication of multilayerdielectric optical elements,Solid State Sciences 2009(11)：1692–1699)以硫酸氧钛为原料制备了TiO2纳米颗粒，通过旋涂及后续的烘烤获得了质量较高的二氧化钛薄膜用于DBR的制备；文献9(Mauricio E.Calvo et al.,Photoconducting Bragg Mirrors basedon TiO2Nanoparticle Multilayers,Adv.Funct.Mater.2008,18,2708–2715)以钛酸四异丙酯为原料制备了二氧化钛溶胶，通过旋涂获得了二氧化钛薄膜；文献10(I-Wen Feng etal.,SiO2/TiO2distributed Bragg reflector near 1.5lm fabricated by e-beamevaporation,J.Vac.Sci.Technol.A,2013(6)：061514-1)以Ti3O5为靶材通过电子束蒸镀(e-beam evaporation)制备了TiO2薄膜；文献11(Hyun‐Kwon Ha et al.,Open air plasmachemical vapor deposition of highly dielectric amorphous TiO2films,Appl.Phys.Lett.1996(68):2965)以钛酸四乙酯为源，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制备了TiO2薄膜；文献12(D.-J.Won et al.,Effects of thermally inducedanatase-to-rutile phase transition in MOCVD-grown TiO2films on structural andoptical properties,Appl Phys A(2001)73:595)通过有机金属化学气相淀积(MOCVD)在石英衬底上制备了二氧化钛薄膜；文献13(M.H.Suhail et al.,dc reactive magnetronsputtering of titanium‐structural and optical characterization of TiO2films,Journal of Applied Physics 1992(71):1421)以钛为靶材，通过反应磁控溅射制备了二氧化钛薄膜。此类文献很多，不再一一列举。
目前为止，制备薄膜的方法可以通过物理方法与化学方法分为两类：物理方法主要包括磁控溅射法，分子束外延法(MBE)，脉冲激光沉积法(PLD)等；化学方法包括溶胶-凝胶法，化学气相沉积法(CVD)，水热结晶法等。物理方法的优点主要是制备的薄膜结构紧密、表面平整。化学方法在反应过程中比较难以控制，难以进行大规模的沉积，镀膜速率相对也较缓慢，孔洞较多。物理方法和化学气相沉积需要昂贵的设备，而且无法在大面积和复杂表面沉积薄膜；水热法虽然制备成本低，但水热釜尺寸有限，制备薄膜的面积更小，不适合大规模工业化生产。故近年来，溶胶-凝胶法制备薄膜的研究方兴未艾。
溶胶-凝胶法利用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出纳米结构的材料。
溶胶-凝胶镀膜法的基本步骤分为先制备溶胶，再利用浸渍、旋转或喷涂法使溶胶在洁净基材表面成膜，将薄膜干燥、焙烧，即可在基材表面形成一层薄膜。利用溶胶-凝胶法可获得高度均匀的多组分涂层和特定组分的不均匀涂层；也可通过简单的设备在大的、形状复杂的衬底表面形成涂层。其缺点也难以克服，例如干燥及焙烧时，由于有机物溶剂的挥发产生的残余应力及聚合骨架的破坏，易导致薄膜龟裂；薄膜的应力影响限制了薄膜的厚度；薄膜与衬底的附着力差；溶胶的制备过程需要周期长，一般需要几天或几周。
文献14(Ramakrishnan Ganesan et al.,Direct Patterning of TiO2UsingStep-and-Flash Imprint Lithography,ACS Nano,2012(6)：1494–1502)以钛酸四乙酯和甲基丙烯酸(摩尔比1：4)反应制得的化合物为前驱体，在光引发剂的存在下通过紫外纳米压印获得了前驱体的纳米图形，并通过在马弗炉中烧结得到了二氧化钛纳米图形；文献15(Saman Safari Dinachali et al.,A Universal Scheme for Patterning of Oxidesvia Thermal Nanoimprint Lithography,Adv.Funct.Mater.2013,23,2201–2211)将钛酸四丁酯和乙酰乙酸甲基丙烯酸乙二醇酯(摩尔比1：2)反应生成螯合物，并加入1.5当量比的交联单体和2wt％的引发剂，通过热压印获得树脂的纳米图形，最后在马弗炉中烧结得到二氧化钛纳米图形。
如果将上述前驱体旋涂在衬底上，以文献14-15所披露的方法有可能通过旋涂和烧结获得二氧化钛薄膜，克服物理气相沉积和化学气相沉积对设备要求很高，成本高昂的缺点，也可以克服溶胶-凝胶法粘度难以控制、附着力低、加工周期长的缺点。但这些方法也有其无法克服的缺点，例如文献14所述方法需在手套箱内操作，否则该化合物在空气中水的作用下迅速水解成二氧化钛颗粒，无法得到均匀的薄膜；而文献15所述之方法需加入大量的交联剂使得每次获得的膜厚很薄，难以一次性获得较厚的薄膜，降低了加工的效率；然而大量交联剂的加入又是不可缺少的，因为这些前驱体对紫外线吸收极其严重，不加入紫外透明的交联剂根本无法固化；而且前驱体的粘度很低，旋涂后的薄膜在紫外固化之前很不稳定，容易收缩产生孔洞。
基于上述现有技术存在的问题，本发明设计了一种二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体及其制备新方法，该方法采用烷氧基钛和乙酰乙酸甲基丙烯酸乙二醇酯反应制得的螯合物作为二氧化钛前驱体，溶解于有机溶剂中，并加入可见光引发剂配制TiO2前驱体溶液，旋涂并烧结后制得二氧化钛致密薄膜；在制备二氧化硅薄膜时以聚有机硅氧烷为前驱体，溶解在溶剂中后通过旋涂和烧结制备二氧化硅薄膜；通过以上两种薄膜的交替制备，通过控制膜厚调节其光子禁带，获得了具有不同结构色的高反射率一维光子晶体。
发明内容
本发明针对目前现有技术无法廉价、高效地制备二氧化硅和二氧化钛薄膜的缺点而提供一种二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体。
本发明的另一目的是提供一种二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体的制备方法。
本发明的技术原理在于：首先将钛酸四乙酯(或钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯)和乙酰乙酸甲基丙烯酸乙二醇酯反应制得的螯合物溶解于有机溶剂中，加入可见光引发剂配制TiO2前驱体溶液；通过旋涂、固化和烧结获得二氧化钛薄膜；之后将聚有机硅氧烷溶解于有机溶剂中配制SiO2前驱体溶液，通过旋涂、固化和烧结获得二氧化硅薄膜。重复以上过程即可获得二氧化钛/二氧化硅多层膜结构，即一维光子晶体结构。
实现本发明一目的而采用的技术方案为：一种二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体，该一维光子晶体是由二氧化钛薄膜和二氧化硅薄膜构成的多层膜结构，该一维光子晶体光子禁带中心波长在380～800纳米之间任意调节，禁带中心波长的反射率为97.6～99％。
本发明所述的二氧化钛薄膜是由二氧化钛前驱体溶液经过旋涂、可见光固化、焙烧后而制得；所述的二氧化硅薄膜是由二氧化钛薄膜表面旋涂二氧化硅前驱体溶液后，经紫外光固化、焙烧后而制得。
本发明所述的二氧化钛前驱体溶液是由二氧化钛前驱体与可见光固化体系溶于有机溶剂后而制得，所述二氧化钛前驱体是烷氧基钛和乙酰乙酸甲基丙烯酸乙二醇酯的反应产物，该反应产物具有如下化学结构之一或几种的混合物：
其中，R为乙基、丁基或异丙基，n＝1～5。
本发明所述的二氧化钛前驱体具体是通过如下步骤制得：
1)将烷氧基钛和乙酰乙酸甲基丙烯酸乙二醇酯加入容器中，搅拌至透明，并冷却至室温，得到混合体系；
2)将计量的去离子水溶于乙醇，制得乙醇溶液，搅拌条件下加入到步骤1)的混合体系中进行反应；
3)室温减压旋蒸除去反应副产物即可；
其中，步骤1)中所述的烷氧基钛和乙酰乙酸甲基丙烯酸乙二醇酯的摩尔比为1：(0.5～2)；步骤2)中所述的去离子水用量为相对于烷氧基钛的0～5mol％，所述的乙醇用量为烷氧基钛和乙酰乙酸甲基丙烯酸乙二醇酯质量之和的1～5％。
本发明所述的烷氧基钛选自钛酸四乙酯、钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯中的一种或几种；所述的可见光固化体系，光引发剂为樟脑醌，助引发剂为4-二甲基氨基苯甲酸乙酯。
本发明所述的有机溶剂选自甲苯、二甲苯、氯苯、甲基丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸叔丁酯中的一种或几种。
本发明所述的二氧化硅前驱体溶液是由聚有机硅氧烷和紫外光固化体系溶解于有机溶剂中而制得，其中，所述的聚有机硅氧烷选自聚甲基丙烯酰氧基硅氧烷或环氧改性聚硅氧烷中的一种；所述的紫外光固化体系采用的紫外光固化剂选自2-羟基-甲基苯基丙烷-1-酮、1-羟基环已基苯基甲酮、2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-吗啉基-1-丙酮中的一种或几种；或者选自二苯基碘鎓六氟磷酸盐、二苯基碘鎓六氟锑酸盐中的一种或两种。
实现本发明另一目的而采用的技术方案为：一种二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体的制备方法，该方法包括如下制备步骤：
1)二氧化钛前驱体溶液的制备
将计量的烷氧基钛和乙酰乙酸甲基丙烯酸乙二醇酯混合均匀，冷却至室温后，将计量的去离子水溶于乙醇，制得乙醇溶液，搅拌条件下加入所述乙醇溶液进行反应；室温减压旋蒸除去反应副产物，制得二氧化钛前驱体；将所制得的二氧化钛前驱体溶解在有机溶剂中，并加入可见光引发剂，获得二氧化钛前驱体溶液，避光密封待用；
2)二氧化硅前驱体溶液的制备
将聚有机硅氧烷和紫外光固化体系溶解于有机溶剂中，避光密封待用；
3)二氧化钛薄膜的制备
将步骤1)制得的二氧化钛前驱体溶液旋涂于衬底之上并在惰性气体气氛下用可见光源进行固化，固化后置于马弗炉中进行煅烧，获得一层均匀的二氧化钛薄膜；
4)二氧化硅薄膜的制备
在步骤3)获得的二氧化钛薄膜表面旋涂一层二氧化硅前驱体溶液，紫外光固化后置于马弗炉中进行煅烧，获得一层均匀的二氧化硅薄膜；
5)二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体的制备
重复步骤1)～步骤4)，获得具有不同层数的二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体。
其中，步骤3)中所述的可见光源进行固化，固化时间为10分钟；所述马弗炉中进行煅烧，煅烧温度为400～700℃，煅烧时间为2～20分钟。
本发明与现有技术相比优点在于：
1)本发明在制备二氧化钛薄膜时所制备的二氧化钛前驱体可以溶解于有机溶剂中，粘度稳定，重复性好，解决了溶胶-凝胶法中溶胶粘度不易控制，膜厚重复性差的缺点，也避免了物理气相沉积和化学气相沉积需要使用昂贵设备的缺点；同时使用可见光引发体系，解决了该螯合物紫外吸收强、无法单独固化的问题，克服了使用螯合物为前驱体的已有技术必须加入大量交联剂和单次镀膜厚度很薄的缺点。
2)本发明在制备二氧化硅薄膜时克服了溶胶-凝胶法制备二氧化硅薄膜时胶体颗粒大小重复性差，稳定性差、难以制备厚膜的缺点。
3)本发明可廉价、高效地制备二氧化钛、二氧化硅薄膜以及二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体。
附图说明
图1为本发明实施例6所制得的二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体的截面电镜照片。
图2为本发明实施例6所制得的二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体的反射谱图。
具体实施方式
以下进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步理解本发明，而不构成对权利要求的限制。
本发明一种二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体，该一维光子晶体是由二氧化钛薄膜和二氧化硅薄膜构成的多层膜结构，该一维光子晶体光子禁带中心波长在380～800纳米之间任意调节，禁带中心波长的反射率为97.6～99％。
本发明一种二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体的制备方法，包括步骤如下：
1)二氧化钛前驱体溶液的制备
将计量的烷氧基钛和乙酰乙酸甲基丙烯酸乙二醇酯混合均匀，冷却至室温后，将计量的去离子水溶于乙醇，制得乙醇溶液，搅拌条件下加入所述乙醇溶液进行反应；室温减压旋蒸除去反应副产物，制得二氧化钛前驱体；将所制得的二氧化钛前驱体溶解在有机溶剂中，并加入可见光引发剂，获得二氧化钛前驱体溶液，避光密封待用；
2)二氧化硅前驱体溶液的制备
将聚有机硅氧烷和紫外光固化体系溶解于有机溶剂中，避光密封待用；
3)二氧化钛薄膜的制备
将步骤1)制得的二氧化钛前驱体溶液旋涂于衬底之上并在惰性气体气氛下用可见光源进行固化，固化后置于马弗炉中进行煅烧，获得一层均匀的二氧化钛薄膜；
4)二氧化硅薄膜的制备
在步骤3)获得的二氧化钛薄膜表面旋涂一层二氧化硅前驱体溶液，紫外固化后置于马弗炉中进行煅烧，获得一层均匀的二氧化硅薄膜；
5)二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体的制备
重复步骤1)～步骤4)，获得具有不同层数的二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体。
在上述的技术方案中：
烷氧基钛选自钛酸四乙酯、钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯中的一种。
在可见光引发体系中，引发剂为樟脑醌，助引发剂为4-二甲基氨基苯甲酸乙酯。
所述的聚有机硅氧烷选自聚甲基丙烯酰氧基硅氧烷或环氧改性聚硅氧烷中的一种，具体结构如下：
其中n＝20～40。
所述的紫外光固化体系根据聚硅氧烷的种类而定：当聚有机硅氧烷为聚甲基丙烯酰氧基硅氧烷、聚甲基丙烯酰氧基硅氧烷中的一种时，紫外光固化剂为2-羟基-甲基苯基丙烷-1-酮、1-羟基环已基苯基甲酮、2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-吗啉基-1-丙酮中的一种或几种；当聚有机硅氧烷为环氧改性聚硅氧烷时，紫外光固化剂为二苯基碘鎓六氟磷酸盐、二苯基碘鎓六氟锑酸盐中的一种或几种。
实施例1
将钛酸四乙酯和乙酰乙酸甲基丙烯酸乙二醇酯按照1：0.5的摩尔比混合，常温搅拌至透明并冷却至室温后，边搅拌边加入乙醇溶液进行反应，乙醇溶液是由去离子水与乙醇混合制得，该去离子水用量为相对于烷氧基钛的2mol％，该乙醇用量为烷氧基钛和乙酰乙酸甲基丙烯酸乙二醇酯质量之和的2％。常温抽真空旋蒸4小时，溶解于甲基丙烯酸叔丁酯中，加入樟脑醌(1wt％)和4-二甲基氨基苯甲酸乙酯(2wt％)，配成10％的二氧化钛前驱体溶液，避光密封备用。
实施例2
将钛酸四乙酯和乙酰乙酸甲基丙烯酸乙二醇酯按照1：1的摩尔比混合，常温搅拌至透明并冷却至室温后，边搅拌边加入乙醇溶液进行反应，乙醇溶液是由去离子水与乙醇混合制得，该去离子水用量为相对于烷氧基钛的5mol％，该乙醇用量为烷氧基钛和乙酰乙酸甲基丙烯酸乙二醇酯质量之和的1％。常温抽真空旋蒸4小时，溶解于甲基丙烯酸叔丁酯中，加入樟脑醌(1wt％)和4-二甲基氨基苯甲酸乙酯(2wt％)，配成10wt％的二氧化钛前驱体溶液，避光密封备用。
实施例3
将钛酸四乙酯和乙酰乙酸甲基丙烯酸乙二醇酯按照1：2的摩尔比混合，常温搅拌至透明并冷却至室温后，边搅拌边加入乙醇进行反应，该乙醇用量为烷氧基钛和乙酰乙酸甲基丙烯酸乙二醇酯质量之和的5％。常温抽真空旋蒸4小时，加入樟脑醌(1wt％)和4-二甲基氨基苯甲酸乙酯(2wt％)，溶解于甲基丙烯酸叔丁酯中，配成10％的二氧化钛前驱体溶液，避光密封备用。
实施例4
在聚甲基丙烯酰氧基硅氧烷中加入1-羟基环已基苯基甲酮(3wt％)，溶解于甲基丙烯酸甲酯中，配成10wt％的二氧化硅前驱体溶液，避光密封备用。
实施例5
环氧改性聚硅氧烷中加入二苯基碘鎓六氟锑酸盐(3wt％)，溶解于甲基丙烯酸叔丁酯中，配成5wt％的二氧化硅前驱体溶液，避光密封备用。
实施例6
二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体制备步骤如下：1)在清洁石英片上旋涂实施例1所得二氧化钛前驱体溶液，转速为3000转/分钟，时间为30秒；2)在氮气气氛下用可见光源固化10分钟；3)400度马弗炉中煅烧20分钟；4)旋涂实施例4所述之二氧化硅前驱体溶液，转速为3000转/分钟，时间为30秒；5)在氮气气氛中紫外固化8分钟；6)500度马弗炉中煅烧30分钟；7)重复步骤1)～步骤6)，获得不同层数的二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体。按本实施例所述之步骤，制备的15层二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体，图1为该二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体的截面电镜照片，从图1可见，各层的厚度均匀；图2为该二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体的反射谱图，从图2可知，光子禁带中心波长为495纳米，禁带中心波长的反射率为98.1％。
实施例7
二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体制备步骤如下：1)在清洁石英片上旋涂实施例2所得二氧化钛前驱体溶液，转速为3000转/分钟，时间为30秒；2)在氮气气氛下用可见光源固化10分钟；3)400度马弗炉中煅烧20分钟；4)旋涂实施例4所述之二氧化硅前驱体溶液，转速为3000转/分钟，时间为30秒；5)在氮气气氛中紫外固化8分钟；6)500度马弗炉中煅烧30分钟；7)重复步骤1)～步骤6)，获得不同层数的二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体。按本实施例所述之步骤，制备的13层二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体光子禁带中心波长为476纳米，禁带中心波长的反射率为98.3％。
实施例8
二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体制备步骤如下：1)在清洁石英片上旋涂实施例3所得二氧化钛前驱体溶液，转速为3000转/分钟，时间为30秒；2)在氮气气氛下用可见光源固化10分钟；3)400度马弗炉中煅烧20分钟；4)旋涂实施例4所述之二氧化硅前驱体溶液，转速为3000转/分钟，时间为30秒；5)在氮气气氛中紫外固化8分钟；6)500度马弗炉中煅烧30分钟；7)重复步骤1)～步骤6)，获得不同层数的二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体。按本实施例所述之步骤，制备的13层二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体光子禁带中心波长为466纳米，禁带中心波长的反射率为98.8％。
实施例9
二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体制备步骤如下：1)在清洁石英片上旋涂实施例2所得二氧化钛前驱体溶液，转速为2000转/分钟，时间为30秒；2)在氮气气氛下用可见光源固化10分钟；3)450度马弗炉中煅烧10分钟；4)旋涂实施例5所述之二氧化硅前驱体溶液，转速为3000转/分钟，时间为30秒；5)在空气气氛中紫外固化15分钟；6)700度马弗炉中煅烧2分钟；7)重复步骤1)～步骤6)，获得不同层数的二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体。按本实施例所述之步骤，制备的13层二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体光子禁带中心波长为620纳米，禁带中心波长的反射率为97.6％。
实施例10
二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体制备步骤如下：1)在清洁石英片上旋涂实施例2所得二氧化钛前驱体溶液，转速为4000转/分钟，时间为30秒；2)在氮气气氛下用可见光源固化10分钟；3)700度马弗炉中煅烧2分钟；4)旋涂实施例5所述之二氧化硅前驱体溶液，转速为3000转/分钟，时间为30秒；5)在氮气气氛中紫外固化8分钟；6)500度马弗炉中煅烧30分钟；7)重复步骤1)～步骤6)，获得不同层数的二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体。按本实施例所述之步骤，制备的13层二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体光子禁带中心波长为440纳米，禁带中心波长的反射率为99.0％。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体，其特征在于：该一维光子晶体是由二氧化钛薄膜和二氧化硅薄膜构成的多层膜结构，该一维光子晶体光子禁带中心波长在380～800纳米之间任意调节，禁带中心波长的反射率为97.6～99％，所述的二氧化钛薄膜是由二氧化钛前驱体溶液经过旋涂、可见光固化、焙烧后而制得；所述的二氧化硅薄膜是由二氧化钛薄膜表面旋涂二氧化硅前驱体溶液后，经紫外光固化、焙烧后而制得；所述的二氧化钛前驱体溶液是由二氧化钛前驱体与可见光固化体系溶于有机溶剂后而制得，所述二氧化钛前驱体是烷氧基钛和乙酰乙酸甲基丙烯酸乙二醇酯的反应产物，该反应产物具有如下化学结构之一或几种的混合物：
其中，R为乙基、丁基或异丙基，n＝1～5。
2.根据权利要求1所述的二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体，其特征在于：所述的二氧化钛前驱体具体是通过如下步骤制得：
1)将烷氧基钛和乙酰乙酸甲基丙烯酸乙二醇酯加入容器中，搅拌至透明，并冷却至室温，得到混合体系；
2)将计量的去离子水溶于乙醇，制得乙醇溶液，搅拌条件下加入到步骤1)的混合体系中进行反应；
3)室温减压旋蒸除去反应副产物即可；
其中，步骤1)中所述的烷氧基钛和乙酰乙酸甲基丙烯酸乙二醇酯的摩尔比为1：(0.5～2)；步骤2)中所述的去离子水用量为相对于烷氧基钛的0～5mol％，所述的乙醇用量为烷氧基钛和乙酰乙酸甲基丙烯酸乙二醇酯质量之和的1～5％。
3.根据权利要求2所述的二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体，其特征在于：所述的烷氧基钛选自钛酸四乙酯、钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯中的一种或几种；所述的可见光固化体系，光引发剂为樟脑醌，助引发剂为4-二甲基氨基苯甲酸乙酯。
4.根据权利要求2所述的二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体，其特征在于：所述的有机溶剂选自甲苯、二甲苯、氯苯、甲基丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸叔丁酯中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体，其特征在于：所述的二氧化硅前驱体溶液是由聚有机硅氧烷和紫外光固化体系溶解于有机溶剂中而制得，其中，所述的聚有机硅氧烷选自聚甲基丙烯酰氧基硅氧烷或环氧改性聚硅氧烷中的一种；所述的紫外光固化体系采用的紫外光固化剂选自2-羟基-甲基苯基丙烷-1-酮、1-羟基环已基苯基甲酮、2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-吗啉基-1-丙酮中的一种或几种；或者选自二苯基碘鎓六氟磷酸盐、二苯基碘鎓六氟锑酸盐中的一种或两种。
6.一种制备如权利要求1～5任一项所述二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体的方法，其特征在于：包括如下制备步骤：
1)二氧化钛前驱体溶液的制备
将计量的烷氧基钛和乙酰乙酸甲基丙烯酸乙二醇酯混合均匀，冷却至室温后，将计量的去离子水溶于乙醇，制得乙醇溶液，搅拌条件下加入所述乙醇溶液进行反应；室温减压旋蒸除去反应副产物，制得二氧化钛前驱体；将所制得的二氧化钛前驱体溶解在有机溶剂中，并加入可见光引发剂，获得二氧化钛前驱体溶液，避光密封待用；
2)二氧化硅前驱体溶液的制备
将聚有机硅氧烷和紫外光固化体系溶解于有机溶剂中，避光密封待用；
3)二氧化钛薄膜的制备
将步骤1)制得的二氧化钛前驱体溶液旋涂于衬底之上并在惰性气体气氛下用可见光源进行固化，固化后置于马弗炉中进行煅烧，获得一层均匀的二氧化钛薄膜；
4)二氧化硅薄膜的制备
在步骤3)获得的二氧化钛薄膜表面旋涂一层二氧化硅前驱体溶液，紫外光固化后置于马弗炉中进行煅烧，获得一层均匀的二氧化硅薄膜；
5)二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体的制备
重复步骤1)～步骤4)，获得具有不同层数的二氧化钛/二氧化硅一维光子晶体。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤3)中，所述的可见光源进行固化，固化时间为10分钟；所述马弗炉中进行煅烧，煅烧温度为400～700℃，煅烧时间为2～20分钟。
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