CN113089102B - 一种二维复合胶体晶体光子器件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种二维复合胶体晶体光子器件的制备方法，该方法涉及光电子技术及材料制备，分为微流注射法制备单层膜及反应离子刻蚀两部分；首先利用微流注射法制备六角密排的单层膜；通过缓慢竖直提升事先放置烧杯中衬底的办法，将单层胶体晶体转移到玻璃基片上，获得周期性微纳结构；然后通过应离子刻蚀使得微球粒径减小，微球间隙增大；同样利用微流注射法制备第二种材料的密排单层膜；最后用离子刻蚀处理过的玻璃基片作衬底，制备成功二维复合光子晶体；由白光源、1×2光纤耦合器、光谱仪组成测量系统，光源垂直入射到二维复合光子晶体表面，测得其反射光谱图，通过刻蚀工艺控制粒子间的匹配关系和形成的二维复合胶体晶体的结构的占空比。

Description

一种二维复合胶体晶体光子器件的制备方法
技术领域
本申请涉及新型功能材料及光电子技术领域，特别是涉及一种二维复合胶体晶体光子器件的制备方法，该结构可以有效的调制光波的传输，可以用于特定波长的滤波、调控及色散补偿。
背景技术
光子晶体是一种具有周期性有序结构的材料，可用于实现对光的调控，因而具有光子禁带、慢光子效应、荧光增强等一系列特殊的光学性质，在开发新型光学器件、防伪技术、信息存储、传感器等领域表现出良好的应用前景。其中，胶体光子晶体是一类利用胶体纳米颗粒组装成有序结构的材料，具有制备简单、成本低廉、易于化学修饰实现功能化等优势，因而在近年来得到快速的发展。多种基于胶体光子晶体的传感器、显示器件、防伪图案得以成功开发。
相较于传统的三维光子晶体，光子晶体异质结具有更为复杂的光子能带结构和更为丰富的光学性能。
光子晶体异质结构由不同光学带隙的光子晶体堆叠而成，在扩展光学带隙等方面具有重要的应用价值。目前光子晶体异质结构是由第一种材料制备成为光子晶体，再对光子晶体的空隙中填充其他流体材料制备而成，制备中固化、空隙的填充率、材质的选择存在加大的困难，且工艺和制备条件苛刻，成本高。本发明提出了一种二维结构的复合材质的光子晶体结构。
本发明提出了一种二维复合胶体晶体光子器件的制备方法。首先利用水/空气界面自组装方法制备大面积、无界面缺陷的单层聚苯乙烯微球二维胶体晶体阵列（2-D CCA），接着结合反应离子刻蚀技术，改良了自组装聚苯乙烯颗粒层的形貌，并对微球粒间隔做到可控。以2-D CCA为基底，根据其微球间隔，可选用不同材料不同粒径的微球进行另一种粒径2-D CCA的自组装，得到具有双重光学带隙的二维复合胶体晶体结构（2-D CCS）。反射光谱分析结果表明：2-D CCS与各单一材料光子晶体相比，该二维复合材料能综合两种材料的不同材料和光学性能，并能通过刻蚀工艺控制粒子之间的匹配关系和结构的占空比，从而使得该二维复合材料将在光子器件方面有着重要的应用价值。
申请内容
解决的技术问题：
本申请需要解决的技术问题是现有技术中固化、空隙的填充率、材质的选择存在加大的困难，且工艺和制备条件苛刻，成本高等技术问题，提供一种二维复合胶体晶体光子器件的制备方法，胶体晶体是一种具有光子禁带，并且能够在禁带范围内阻止特定频率的电磁波在晶体特定方向上传播的折射率呈周期性变化的介电材料，在磁性材料、孔材料、光路器件、电极、屏幕显示器和化学传感器等方面具有潜在的应用。但只有单一晶格常数的胶体晶体在应用方面仍受到了很大的制。为了充分发挥胶体晶体结构的巨大潜能，复合光子晶体的研究逐渐引起了科研人员的重视。近年来，关于复合光子晶体结构方面的研究，一方面集中于向胶体晶体中引入点缺陷、线缺陷和面缺陷等人工缺陷，将其作为“光学杂质”固定于胶体晶体中，提高其光学性能; 另一方面，将具有不同光子禁带的光子晶体堆叠在一起形成具有更加精细、复杂的光子禁带的胶体晶体异质结构等。但是此种胶体晶体异质结多是三维胶体晶体结构，因此提出一种新的制备二维复合光子晶体的方法，通过刻蚀工艺控制粒子间的匹配关系和结构的占空比，该复合光子晶体会综合两种材料的性能，在光子器件等方面会有着重要的应用价值。
技术方案：
一种二维复合胶体晶体光子器件的制备方法，首先，采用直径为680nm-730nm的聚苯乙烯胶体粒子通过界面自组装法制备二维胶体晶体；其次，将组装的胶体晶体通过反应离子刻蚀胶体粒子改变胶体粒子之间的间隙，刻蚀时间与刻蚀间隙的比例为10nm-20nm/min，因此可通过刻蚀时间控制胶体微球间隙；最后，根据微球间隙选择将不同材质、匹配粒径的第二种胶体粒子注入到刻蚀的胶体晶体的模板上，从而形成了二维材料的复合胶体晶体。
作为本申请的一种优选技术方案：所述二维复合胶体晶体光子器件的制备方法，步骤为：
第一步：将玻璃基片先后利用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10min-15min，用氮气烘干，再用等离子清洗机对玻璃基片清洗10min-15min，使玻璃基片清洁且具有亲水性，留其备用；
第二步，通过微流注射法制备六角密排的单层膜：注射器与微流注射泵连接，针筒内盛有分散均匀的聚苯乙烯胶体微球悬浮液，针尖与液面刚好接触，形成弯月面，通过针尖以0.002ml/min的速度匀速注射，使得悬浮液流入液面时，在不同溶液梯度力的作用下，既不会沉入液面下方，又不会在针尖上形成液滴，而是在液面迅速向外铺展开来，最后直到注射完成，小球微粒铺满整个液面；遵循能量最低原理，在气液面完成六角密排单层膜结构的组装；加入0.003ml的SDS溶液，单层薄膜会进一步收缩成有序密排的单层膜，最后利用单层膜的可转移性，将备用玻璃基片以45°倾斜角斜插入液体里，基片因其亲水性在减小倾斜角靠近单层膜时，单层胶体晶体便转移到备用玻璃基片上，向上提升基片，并保持水平放置，待玻璃基片干燥便获得单层周期性微纳结构；
第三步，反应离子刻蚀：将玻璃基片放置于离子刻蚀机反应腔室，利用氧气作为反应气体进行反应离子刻蚀，化学反应和物理反应相结合，保持刻蚀的射频功率为12W-17W、氧气的流量为30sccm-35sccm、反应室压强为2Pa-2.5Pa；依据刻蚀时间与刻蚀间隙的比例关系：10nm-20nm/min，通过计时器控制刻蚀时间，使得微球粒径变小，两个微球之间的间隙增大；
第四步，制备二维复合光子晶体：将已经刻蚀处理过的基片倾斜60°放置于一次性塑料杯内，同样利用微流注射法在气液面注射完成第二种材料的六角密排单层膜结构的组装，本次实验第二种材料选择的是直径约为280nm的二氧化硅小球溶液；待其铺满整个液面时，利用排水法使微球自然沉积在已经刻蚀处理过的基片上，即获得制备的二维复合光子晶体。
作为本申请的一种优选技术方案：所述第第二步和第四步中配置微球悬浮液时需加入无水乙醇、正丁醇溶液，其中第二步中的聚苯乙烯悬浮液按照浓度10%的聚苯乙烯微球溶液：无水乙醇：正丁醇溶液=1:1:1的比例配置，第四步中的二氧化硅悬浮液按照浓度10%的二氧化硅小球溶液：无水乙醇：正丁醇=1：5:4的比例配置，使其微球悬浮液均匀地铺展在水平面，形成周期性六角密排的单层膜结构，并避免微球粒子下沉的情况发生。
作为本申请的一种优选技术方案：所述刻蚀速率与刻蚀时间的关系即每刻蚀一分钟可使胶体粒子间隙增加10nm-20nm，通过改变刻蚀时间决定微球粒径和间隙。
有益效果：
本申请所述一种二维复合胶体晶体光子器件的制备方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、一是微流注射法制备周期性微结构，二是反应离子刻蚀控制微球粒径和间隙；
2、其中关键步骤在于反应离子刻蚀，微流注射法制备第二种材料的周期性微结构方面；
3、前期要通过刻蚀不同时间的微纳结构，在扫描电子显微镜下观察其表面形貌，表征微粒尺寸进而计算出刻蚀速率与刻蚀时间的关系；
4、根据第二种微球材料的尺寸，决定刻蚀时间；
5、再通过微流注射法制备第二种材料的单层膜，通过增大衬底的倾斜角，增大第二种材料粒子恰好填充在微球间隙的概率，制备出良好的二维复合光子晶体；
6、该二维复合材料能综合两种材料的不同材料和光学性能，并能通过刻蚀工艺控制粒子之间的匹配关系和结构的占空比，从而使得该二维复合材料将在光子器件方面有着重要的应用价值，可以形成多参量调控的光波调制器，滤波器或反射器。
附图说明
图1为本申请的方法制备工艺图；
图2为本申请是利用本发明方法制备出的二维复合光子晶体器件的测量系统示意图；
图3为本申请是二维胶体晶体阵列、反应离子刻蚀后的二维胶体晶体阵列、二维复合胶体晶体阵列的光谱分析图；
图4是二维胶体晶体阵列刻蚀不同时间以及在刻蚀不同时间下填充第二种材料的光谱分析图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
实施例1:
一种二维复合胶体晶体光子器件的制备方法，如图1是该发明方法的具体工艺流程。将玻璃基片先后利用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10min-15min，用氮气烘干，再用等离子清洗机对玻璃基片清洗10min-15min，使玻璃基片清洁且具有亲水性，留其备用，通过微流注射法制备六角密排的单层膜：注射器与微流注射泵连接，针筒内盛有分散均匀的聚苯乙烯胶体微球悬浮液，针尖与液面刚好接触，形成弯月面，通过针尖以0.002ml/min的速度导流，使得悬浮液流入液面时，在不同溶液梯度力的作用下，既不会沉入液面下方，又不会在针尖上形成液滴，而是在液面迅速向外铺展开来，最后直到注射完成，小球微粒铺满整个液面；遵循能量最低原理，在气液面完成六角密排单层膜结构的组装；滴入0.003ml的SDS溶液，单层薄膜会进一步收缩成有序密排的单层膜，如（a）；最后利用单层膜的可转移性，将备用玻璃基片以45°倾斜角斜插入液体里，基片因其亲水性在减小倾斜角靠近单层膜时，单层胶体晶体便转移到备用玻璃基片上，向上提升基片，并保持水平放置，待玻璃基片干燥便获得单层周期性微纳结构，如（b）；将玻璃基片放置于离子刻蚀机反应腔室，利用氧气作为反应气体进行反应离子刻蚀，化学反应和物理反应相结合，保持刻蚀的射频功率为12W-17W、氧气的流量为30sccm-35sccm、反应室压强为2Pa-2.5Pa；依据刻蚀时间与刻蚀间隙的比例关系：10nm-20nm/min，通过计时器控制刻蚀时间，使得微球粒径变小，微球之间的间隙增大，其效果图如（c）；将已经刻蚀处理过的基片倾斜60°放置于一次性塑料杯内，同样利用微流注射法在气液面注射完成第二种材料的六角密排单层膜结构的组装；待其铺满整个液面时，利用排水法使微球自然沉积在已经刻蚀处理过的基片上，即获得制备的二维复合光子晶体,如图（d）。
如图1所示，这是通过本发明方法制备的二维复合胶体晶体结构示意图，大粒径微粒是聚苯乙烯微球，小粒径微粒是二氧化硅微球。从结构示意图可以看出原本呈周期性六角密排结构的聚苯乙烯小球在通过反应离子刻蚀后，仍呈周期性六角密排结构，仅是微球粒径减小，微球间隙增大。通过微流注射法在聚苯乙烯小球间隙填充了二氧化硅微球，两种材料微球构成了二维复合光子晶体。
所述图2是对二维复合光子晶体器件的测量系统示意图。该测量系统由白光源、1×2光纤耦合器、光谱仪组成，光源从白光源发出，到达1×2光纤耦合器，通过A通道垂直入射到二维复合光子晶体表面，然后光被反射回光纤耦合器，再通过B通道到达光谱仪，最终在电脑上呈现出光谱图。
图3是二维胶体晶体阵列、反应离子刻蚀后的二维胶体晶体阵列、二维复合胶体晶体阵列的光谱分析图。RIE0第一种材料胶体晶体的扫描光谱图；RIE20第一种胶体晶体刻蚀后的扫描光谱图；RIE20+SiO2，填充第二种材料微球的扫描光谱图.本图选择的是直径为710nm的聚苯乙烯微球形成的单层膜，与刻蚀时间为20min的胶体阵列以及填充直径为180nm的二氧化硅微球做比较，胶体晶体经过反应离子刻蚀之后，微球间隙改变，占空比改变，因此反射光谱改变。当在刻蚀微球间隙填充二氧化硅后，该复合材料综合了两种材料的特性，与二维胶体晶体阵列、刻蚀后的二维胶体晶体阵列相比，反射光谱都有着明显的差别。可以得出结论，二维材料的复合胶体晶体能综合两种材料的不同材料和光学性能。
图4是二维胶体晶体阵列刻蚀不同时间以及在刻蚀不同时间下填充第二种材料的光谱分析图。RIE为反应粒子刻蚀的简称，后面的数字代表刻蚀的时间，刻蚀时间分别定为15、16、17、18、19、20、21分钟，
在（a）图中，会发现刻蚀时间不同，胶体晶体阵列的光谱图不同，并且随着刻蚀时间增加，微球间隙增大，光谱蓝移，且出现衍射现象。在（b）图中。第一种材料的微球间隙填充了第二种材料，光谱图呈现了两种材料的光学性质，且随刻蚀时间变化，即随着结构的占空比变化。可以得出结论：本发明制备得到的二维复合胶体晶体结构可以有效的调制光波的传输，可以用于特定波长的滤波、调控及色散补偿等。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种二维复合胶体晶体光子器件的制备方法，其特征在于：首先，采用直径为680nm-730nm的聚苯乙烯胶体粒子通过界面自组装法制备二维胶体晶体；其次，将组装的胶体晶体通过反应离子刻蚀胶体粒子改变胶体粒子之间的间隙，刻蚀时间与刻蚀间隙的比例为10nm-20nm/min，因此可通过刻蚀时间控制胶体微球间隙；最后，根据微球间隙选择将不同材质、匹配粒径的第二种胶体粒子注入到刻蚀的胶体晶体的模板上，从而形成了二维材料的复合胶体晶体；具体步骤为：
第一步：将玻璃基片先后利用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10min-15min，用氮气烘干，再用等离子清洗机对玻璃基片清洗10min-15min，使玻璃基片清洁且具有亲水性，留其备用；
第二步，通过微流注射法制备六角密排的单层膜：注射器与微流注射泵连接，针筒内盛有分散均匀的聚苯乙烯胶体微球悬浮液，针尖与液面刚好接触，形成弯月面，通过针尖以0.002ml/min的速度匀速注射，使得悬浮液流入液面时，在不同溶液梯度力的作用下，既不会沉入液面下方，又不会在针尖上形成液滴，而是在液面迅速向外铺展开来，最后直到注射完成，小球微粒铺满整个液面；遵循能量最低原理，在气液面完成六角密排单层膜结构的组装；加入0.003ml的SDS溶液，单层薄膜会进一步收缩成有序密排的单层膜，最后利用单层膜的可转移性，将备用玻璃基片以45°倾斜角斜插入液体里，基片因其亲水性在减小倾斜角靠近单层膜时，单层胶体晶体便转移到备用玻璃基片上，向上提升基片，并保持水平放置，待玻璃基片干燥便获得单层周期性微纳结构；
第三步，反应离子刻蚀：将玻璃基片放置于离子刻蚀机反应腔室，利用氧气作为反应气体进行反应离子刻蚀，化学反应和物理反应相结合，保持刻蚀的射频功率为12W-17W、氧气的流量为30sccm-35sccm、反应室压强为2Pa-2.5Pa；依据刻蚀时间与刻蚀间隙的比例关系：10nm-20nm/min，通过计时器控制刻蚀时间，使得微球粒径变小，两个微球之间的间隙增大；
第四步，制备二维复合光子晶体：将已经刻蚀处理过的基片倾斜60°放置于一次性塑料杯内，同样利用微流注射法在气液面注射完成第二种材料的六角密排单层膜结构的组装，本次实验第二种材料选择的是直径为280nm的二氧化硅小球溶液；待其铺满整个液面时，利用排水法使微球自然沉积在已经刻蚀处理过的基片上，即获得制备的二维复合光子晶体。
2.根据权利要求1所述的一种二维复合胶体晶体光子器件的制备方法，其特征在于：所述第二步和第四步中配置微球悬浮液时需加入无水乙醇、正丁醇溶液，其中第二步中的聚苯乙烯悬浮液按照浓度10%的聚苯乙烯微球溶液：无水乙醇：正丁醇溶液=1:1:1的比例配置，第四步中的二氧化硅悬浮液按照浓度10%的二氧化硅小球溶液：无水乙醇：正丁醇=1：5:4的比例配置，使其微球悬浮液均匀地铺展在水平面，形成周期性六角密排的单层膜结构，并避免微球粒子下沉的情况发生。
3.根据权利要求1所述的一种二维复合胶体晶体光子器件的制备方法，其特征在于：所述刻蚀时间与刻蚀间隙的比例关系即每刻蚀一分钟可使胶体粒子间隙增加10nm-20nm，通过改变刻蚀时间决定微球粒径和间隙。
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