CN1387589A - 胶体光子晶体 - Google Patents

Abstract

一种生长坚固的大面积的胶体光子晶体的方法以及由此而生产的器件。尺度单一化胶体球(1)的悬浮液受到通过连续施加剪切力所产生的复合剪切作用(6)。胶体内的结晶层受x和y方向的二个剪切力作用,迫使胶体择优形成单面心立方结构,而不形成孪生面心立方结构。该方法包括采用可进行从液相到固相的可控相变的弥散介质,晶体被固定成为单面心立方结构。

Description

胶体光子晶体

本发明涉及胶体光子晶体，涉及生长坚固的大面积晶体以及利用这种晶体生产的器件。

为了本专利的目的，将光子晶体定义为一种物体，其光学性质具有空间周期性。

众所周知，能够使胶体悬浮液在一定条件下结晶从而产生胶体晶体，该胶体晶体显示出受人关注的光学特性。

由于晶体结构在光波长尺度上是周期性的事实，这种胶体光子晶体可以改变和调整光的传播，因此胶体光子晶体得以应用于各种不同的光学器件上，包括光滤波器和限制器，可以控制胶体光子晶体的反射特性，从而提供了许多开发光学器件的机会。

但是此类晶体的块体样品通常为多晶体，并且包含有大小为100微米数量级的数百个晶体，它们随机取向，这些晶体也可以有不同的晶体结构，包括面心立方(fcc)，六角密堆积(hcp)，和随机密堆积(rcp)。在晶体内部的这些和其它的不完美性损害了晶体的光学性质，致使晶体不适于作为材料使用。

P.N.Pusey和B.Ackerson，专利GB 2 260 714，提出一个生长胶体光子晶体的改进方法，通过使晶体融化(melt)并使之排列成择优结构，该改进方法降低了晶体中的不完美性。具体而言该方法涉及到含尺度单一化的聚合物胶体球的悬浮液，并且包括通过施加直线剪切力使胶体排列成面心立方的晶体结构，该直线剪切力通常是通过在液体中产生诱导流来产生的。由这种方法所形成的晶体基本上是完美的面心立方结构。该方法可以生长面积超过1cm²的单晶。

在生长结束时，经过施加足够的剪切力，在基本形成单晶体结构之后，可将该结构密封，保留载液，或者将某种形式的凝胶剂加入载液中以改善结构的稳定性，也可以让载液蒸发留下由胶体粒子自支撑的结构。

剪切作用产生二种类型的单面心立方结构，一种产生于前向剪切，另一种产生于相反的剪切。当剪切作用停止时，胶体松弛成一个孪生面心立方结构。在排列成孪晶的情况下，二种形式的面心立方晶体结构在晶体内共存，一个位于另一个的顶部。

孪生面心立方结构显示出有用的光学特征，而单面心立方排列更使晶体的光学特性比前者得到改善。例如，单面心立方结构显示出良好的光子能带带隙的特性，可以优选成反射大范围入射角和偏振角的辐射(对限制在一定波长范围的入射光)，例如Yablonovitch等“三维光子能带结构”，[Yabolovitch E.，Gmitter，T.J.，Leung，K.M.，Meada，R.D.，Rappe，A.M.，Brommer K.D.，oannopoulos J.D.，三维光子能带结构，Three dimensional Photonic bandstructure，Opt&Qu.Elect.24.S.273 1992]，及其所附列的文献。因此单面心立方结构对高质量光学器件提供了较大的开发潜力。但单面心立方结构的晶体不能采取上述的线性剪切方法来制造，因为晶体有松弛成孪生面心立方结构的倾向。

现有胶体光子晶体更多的局限性涉及晶体的物理特性，现有的胶体光子晶体相当脆，并且缺乏稳定性，很大程度上，由于结晶层只存在于二刚性平行平板之间。按照这种结构，封装可能不严密使得不需要的载液蒸发从而导致晶体结构的退化。此外，晶体的物理尺度仍然相当小，妨碍了胶体光子晶体在光学领域中的广泛应用。

本发明的目的是提供一种用于生产坚固的大面积的胶体光子晶体的改进方法。

按照本发明，生长一个基本上完美的，显示有单面心立方结构的胶体光子晶体的方法包括以下步骤：

配制具有尺度单一化的胶体球状颗粒，具有一定体浓度的悬浮液，使胶体球在适合的弥散介质中自发局部结晶，

将凝胶悬浮液引入到二块基本上是平行的板表面之间的空隙中，

使板面在相互平行的情况下作相对振动，和

使板面相互间作一系列微小的相对线性位移，位移平行于他们的表面，并且是二维的，这包括一个表面相对于另一个表面作前后相继的线性位移，将向表面施加线性位移的方向基本上旋转120°的角度，沿着单一的恒定方向，并继续向表面施加线性位移，重复连续的动作，直到胶体光子晶体纯化成单一的面心立方结构。

为了固定胶体结晶结构，弥散介质最好是一个能够从液相变成固相的介质。

旋转方向可以是顺时针方向，也可以是逆时针方向。

在另一个布置中生长基本完美并且显示有单面心结构的胶体光子晶体所包括的步骤有：

配制具有尺度单一的球状胶体颗粒的悬浮液，该悬浮液具有产生自发局部结晶的体浓度，在弥散介质中可以从液相变到固相，以固定胶体结晶结构。

将胶体悬浮液引缛到二表面基本平行的平板间的空隙中，以及使平板相对平行于他们表面作相对振动。

特别是，施加到表面上的微小线性位移幅度，基本上要等于胶体球状颗粒的直径和晶体中结晶层数的乘积。

在一个优选的布置中，表面位移被相互布置成一个等边三角形。

单一尺度化的胶体球的最小体积比以0.49为最佳，比较好的情况下，单一尺度胶体球的半径处于0.05μm到10μm的范围。

胶体球可以至少包含所列出的材料之一：粘合剂、聚合物、非线性材料、磁性材料、金属、半导体、掺有活性染料的玻璃、掺有活性染料的聚合物、硅。特殊情况下，胶体球可以是有机玻璃。

用作弥散介质的材料最好是所列举材料之一。聚合物、树脂、非线性光学材料、活性光学材料、辛醇。

在一个优选的实施方案中，用作弥散介质的活性光学材料为液晶材料。

在一个布置中，弥散材料随后被从胶体光子晶体中除去，留下一个包含由相互连接的空隙基体包围着的胶体球的结构。随后可将替代的材料引进到围绕着胶体球的相互连接的空隙基体中。替代的材料至少是金属、半导体、非线性光学材料、活性光学材料中的一个。

在一个优选实施方案中，胶体球随后可被替代材料从衬底清除从而产生一个反单面心立方结构。

另一个优选实施方案中，用作替代材料的活性光学材料是液晶材料。

弥散介质或替代材料是液晶，用于给液晶材料施加电场的装置也可以添加在胶体光子晶体中加到液晶材料上的电场可以被加到胶体光子晶体。

在一个优选实施方案中，弥散介质是环氧树脂。生长基本完美并显示有单面心立方结构的方法，还包括固化树脂使在胶体球之间形成固态的相互连接基体的后续步骤。

固化工艺最好至少包括在一种以下列举的环境中暴露：电磁辐射、紫外辐射、化学反应、上升温度。

至少基本平行的表面中的一个至少至少包括一个基本尚柔性的隔膜。

在一个优选实施方案中，块体胶体光子晶体膜可通过滚动装置把线性位移加到平行的表面来制取。

在另一个优选的实施方案中，制造方法还包括一个中间步骤，其中在引入胶体悬浮液之前，将一个可拆卸隔膜装到平行表面中一个的内侧面。

在平行表面中的至少一个内表面织构化以促使多重晶畴的生长。

弥散介质的折射率基本上不同于胶体球的折射率，再有，胶体球和弥散介质之间折射率的比可大于2。

在一个优选的布置中，该方法还包括后续步骤，即：从固化弥散介质中去除掉胶体球以产生反单面心立方结构。

在另一个优选的布置中，该方法还包括一个后续步骤，即：通过去除胶体球将替代材料引入在固化弥散材料产生的空洞(隙)中，由此而产生被替代的单面心立方结构，替代材料可以是非线性光学材料，活性光学材料或者是激光器染料。

在一个优选的布置中，用于保持胶体悬浮液的二个表面可以是同心圆柱面。

在本发明的第二部分提供根据上述方法生长的胶体晶体。

在一个优选的布置中，胶体晶体形成光学陷波滤波器，其中选择胶体球半径和弥散介质的折射率相互配合以反射至少一个特定的波长而透过其他所有的波长。

在另一个优选的布置中，将胶体晶体结合到光学器件中，该器件还包括液晶材料，和对液晶材料外加电场的装置，其中液晶材料可施加可变电压，以改变液晶材料和胶体球之间的折射率的反差。

现参照附图，仅按所举实例对本发明进行描述：

图1表明加线性剪切力到含有尺度单一化的聚合物胶体球的悬浮液生长胶体光子晶体的常规方法。

图2表示用于表征胶体光子晶体结构的布置图。

图3大致示出在生长过程中产生的三个不同的衍射花样。特别是图3a和图3b表明分别由二种形式的单面心立方结构所产生的衍射花样。而图3c则表示孪生面心立方结构在起始生长阶段所形成的衍射花样。

图4示出在生长过程中产生的不同的结晶结构的衍射的辐射强度与入射角(θ)的关系曲线。

图5a示出将复合二维剪切作用加到胶体晶体来改善产生胶体光子晶体上的方法。

图5b示出将复合二维剪切作用加到在圆柱形几何体内的胶体晶体上来改善产生胶体光子晶体。

图6a表明复合剪切过程中的迭代步骤和向晶体施加连续的剪切作用的晶体方向。

图6b表明复合剪切作用为一个等边三角形的一个情况。

图7大致示出用复合二维剪切方法，大规模生产单面心立方胶体光子晶体的技术。

参照图1，常规的生长胶体晶体的方法是采用置于二玻璃片之间(2，3)并且单一尺度的聚合物胶体球的悬浮液(1)。通常情况下，胶体包含有大小为800nm的有机玻璃球，浮悬在辛醇中，具有可自发结晶的体浓度(实际上，大于49％的体积)。二玻璃片(2，3)经清洁处理，10微米大小的隔离珠(4)分布在其中的一个玻璃片上。胶体悬浮液(1)被置于一个玻璃片上，另一片放在它的上面，并进行加压，使二玻璃片间的空间完全被充满。此时，样品是包含随机取向小晶粒的多晶。

现在相对位于较低的玻璃片(3)顶的玻璃片(2)施加振动的线性横向位移(5)，图上标为x方向，其振幅约为二玻璃片(2)和(3)之间间隙的10倍。这样就融化了晶体并使胶体排列成六角密堆积层。

然后，由振幅较小的线性振动使样品受切向作用，迫使胶体成为面心立方结构。振动振幅通常等于胶体球的直径和晶体中结晶层数的乘积。重要的是向前的剪切行程(stroke)产生一个面心立方结构，向后的行程倾向于产生另一个面心立方结构。如果剪切作用停止，胶体松弛成孪生面心立方结构，二种面心立方结构共同存在，一个结构叠在另一个结构之上。

参照图2，胶体晶体的光学性质与晶体的结构有关，这种现象可用来表征生长好的胶体晶体的结构，用激光束(11)照射样品晶体(10)，测出不同入射角衍射斑的强度(12)，强度与入射角θ成函数关系(13)。在剪切作用期间，二种单面心立方结构中的每一种产生不同的衍射花样。

在向前的剪切行程上，第一个单面心立方结构产生一个衍射花样，图3a所示，它包含相隔120度的三个布拉格衍射斑。在相反的剪切行程上，第二个单面心立方结构产生一个不同衍射花样，也是由间隔120度的三个布拉格衍射斑组成，见图3b。一旦线性剪切力去除，胶体松弛成孪生面心立方结构，可以看到所有的六个布拉格衍射斑，如图3c。

参照图4，布拉格衍射光的强度与入射角θ的关系表明在加剪切作用的过程中所产生的各种结晶结构的空间分布和强度。衍射光的强度和空间分布在确定结晶体结构时是重要的参量，并对任何采用胶体光子晶体所开发的光学器件的性能有重要的影响。图4a表明加剪切力到样品上之前由随机密堆积结构所作的响应。图4b表明六角密堆积的响应。图4c和4d表示分别由二单面心立方结构所产生的强度与入射角的关系曲线。

如图5a和5b所示，可采用增强扩大剪切作用方法来消除胶体晶体松弛成孪生面心立方结构的倾向。

参照图5a，增强的产生单面心立方晶体的方法采用放置在二玻璃片(2，3)之间的包含尺度单一化的胶体球(1)的悬浮液，胶体包含浮悬于辛醇中800nm的有机玻璃球，其体积浓度足于进行自发结晶(大于49％的体积)。对二玻璃片(2，3)作清洁处理，10微米大小的间隔珠(4)分布在二玻璃片之一，胶体的悬浮液置于一个玻璃片上，再把另一个片叠上去，进行加压，使二玻璃片间的空间完全充满，从而获得包含随机取向小晶体的多晶样品。

现在，通过相对于较低的玻璃片(3)对玻璃顶面(2)施加振动的线性横向位移(5)，使样品受到剪切作用，线性横向振动被限制在单一方向，图5中标为x方向。线性横向振动的振幅通常是玻璃片(2)和(3)之间的间距的10倍，这使晶体融化从而使胶体形成为六角密堆积层。

然后，通过按顺序将一组剪切力施加到样品上，使样品受复合剪切作用(6)，这组按顺序的剪切力使上面的玻璃片(2)相对于下面的玻璃片(3)作一系列二维线性位移。样品内的结晶层经受具有x，y二个方向的分量的剪切力，迫使胶体形成单面心立方结构，并确保单面心立方结构优先保持于孪生面心立方结构中。

图6a示出了复合剪切过程，具体而言：该复合过程包括在衬底平面上，连续施加剪切力之间，以基本上成+120度(角φ)，旋转对晶体施加剪切力的方向。这就产生了单面心立方结晶结构的第一种形式。

另外一种情况，在衬底平面上，连续施加剪切力之间，以基本上成-120度(角φ)，旋转对晶体施加剪切力的方向。这就产生了单面心立方结晶结构的第一种形式。这在晶体中，产生了相反形式的单面心立方结构。

虽然存在一个阈值，超过阈值，晶体结构融化，胶体重新排列成六角密堆积层，但是连续线性位移量并不一定相等。每一个线性位移通常等于胶体球的直径和晶体内结晶层数的乘积。该过程不断重复直到所有结晶层受剪切力的作用而成为单面心立方结构。通过利用激光束照射样品，并测出对应于不同入射角度的布拉格衍射斑点的强度，就可以确定结晶结构(参照图2)。

通常情况下，复合剪切力作用的过程中，由顶部玻璃片(2)所述路径为图6b所示的等边三角形。

圆柱形几何形状同样可用来实现复合二维剪切作用，如图5b所示，参照图5b，单一尺度化的聚合物胶体球(1)的悬浮液放置于圆柱形板(20)和圆轴(21)之间，圆柱板和圆轴保持同心。样品受到通过施加在圆轴面(21)上的绕轴A(23)的振动旋转运动(22)所产生的剪切力的作用。这使得晶体融化并使胶体排列成六角密堆积层。

然后，样品受到，通过沿着x轴以振动方式平移，以及绕轴A(23)作振动旋转运动(22)的复合二维剪切力作用，二运动合并造成此方向旋转，沿着该方向连续剪切力基本上以120度角作用到晶体上。胶体被迫形成第一个或第二种形式的单面心立方晶体，这依赖于前后二个剪切作用之间的剪切力旋转方向。

用线性或圆柱几何体，可以进一步处理通过加强复合剪切作用法产生的单面心立方结晶结构以改变结构特性。

在生长过程最后，可以从胶体晶体结构中去除弥散介质，留下周围由相互连接的空洞基体所围绕的胶体球的自支撑结构。出于此具体目的，空洞的含义不应仅限于真空空腔或空隙，而应包括任何气体组成的空腔或空隙，包括含有空气。这种相互连接空洞基体可被填入其他材料从而改变光子胶体晶体的光学特性。

用于填充相互连接的空洞基体的材料通常包括金属和半导体，例如，硅、锗、砷化镓等。

另外一种情况，通过从光子晶体中除去弥散介质所产生的相互连接的空洞基体，可以用活性材料填充这些空洞基体，如液晶材料。通常使用向列型液晶材料。用于光子胶体晶体中利用液晶材料取代弥散介质可控制胶体球和弥散介质之间折射率反差，由此提供对光子晶体的衍射特性和能带间隙特性的控制。

光子晶体中的折射率反差可以通过改变液体材料的温度而发生改变，或者通过对光子晶体中的液晶材料施加一个可变电场。

在低强度照射下，列向型液晶和胶体球晶体指数是匹配的，而且晶体基本上是透明的，如果玻璃片含有胶体光子晶体，并且玻璃片涂有抗反射隔膜，那么器件的透过率可超过90％。提高液晶材料的温度导致液晶的重新取向，液晶分子从向列相改变到各向同性相，结果使液晶材料和胶体球之间的折射率反差增加。因此，胶体光子晶体这时起到一个衍射光栅的作用，器件的透过率降低。如果入射到胶体光子晶体的辐射波长对应于光子晶体的能带间，那么器件的透过率大为降低。

液晶材料的温度可以通过直接加热块体胶体光子晶体来改变。另外一种情况，可采用高强度脉冲照射局部加热液晶材料。胶体光子晶体吸收高强度脉冲(胶体球和液晶材料)使液晶材料局部加热。

也可以结合激光染料实现增大这种效果并使光子晶体对特定的波长敏感。这种情况下，激光染料溶入液晶。一束入射光，其波长处于染料晶体的吸收频段，晶体便从光束中吸收能量引起如前所述的局部加热，然而，由于激光染料的吸收截面的增大，所以从入射光束向晶体转移的能量也显著提高。染料也可掺合到胶体球内。

也可用非线性染料，例如某一染料其激发态的折射率明显地不同于基态。在光照条件下会感应产生折射率反差。

改变胶体光子晶体中折射率反差的第二种方法是将一个可变电场加到胶体光子晶体中的液晶材料上。在这种布置中，包含胶体光子晶体的玻璃片涂有一个层透明的导体。例如铟锡氧化物(ITO)，因此可将电场加到晶体。液晶分子的取向简单地随施加在液晶盒合上电场的改变而改变，由此改变折射率反差并由此而改变胶体光子晶体的衍射和透射特性。任何衍射光束的透过率或强度可作为函数随外加电场变化。

掺有液晶材料的胶体光子晶体可以用来保护电光学器件免遭高低功率激光脉冲的影响。这种器件也可作限制器、开关或路由器，通过将一个高强度的泵浦束或可变电场加到液晶上来改变方向(重新定向到一个衍射级)或阻挡一个低强度探测试样束，该试样束被调制以载送数字信息。

另外一种将液晶材料掺到胶体光子晶体中的方法可以消除中间弥散介质(辛醇)并在初始生长过程中使用液晶弥散介质。

在这种布置中，尺度单一的胶体球浮悬于液晶材料中，其体积浓度可产生自发结晶。这种配置的主要成份是浮悬在K15向列液晶中的体积浓度大于49％。的800nm的有机玻璃小球。胶体悬浮液被置于二玻璃片之间样品受前到前述的增强复合剪切技术的剪切作用，被迫形成单面心立方结构。

一种消除胶体晶体松弛形成孪生面心立方结构倾向的替代和补充方法是改变其中浮悬有胶体球的弥散介质的特性。通过用能够进行从液相到固相的可控相变的弥散介质代换传统的辛醇，可以消除晶体松弛形成孪生面心立方结构的倾向。因此，根据需要，弥散介质的相能够从液相变到固相，使晶体在适当的生长阶段固定为单面心立方结构。合适的弥散介质有粘合剂、聚合物、树脂。能够在紫外光照射下固化的环氧树脂作为合适的弥散介质特别受人重视。另外一种情况，可以采用通过化学反应、温度和辐射固化的环氧树脂。

该技术可以与常规的一维剪切作用对准方法或与复合二维剪切作用对准方法相结合，如图5a或5b所示。

可经受由液相到固相可控相变的弥散介质的利用提供了一种生产大面积，坚固的单面心立方晶体的方法，而且价格低廉。采用这种方法制造的晶体显示出改善的耐久性并且晶体结构也相当稳定。这种方法本身可以提供大规模生产和应用。

胶体晶体通过将尺寸单一化的聚合物胶体球弥散在环氧树脂中进行制备，环氧树脂通过紫外光曝光进行硬化，胶体基本上是由800nm的有机玻璃所组成，其体积浓度足于产生自发结晶(大于49％的体积)。悬浮液放置在二玻璃片(2，3)之间，加压使二玻璃片之间的空间完全充满。用10微米大小的间隔珠控制玻璃的间隔。受控线性一维剪切作用或复合二维剪切作用力用于将晶体排列使成单面心立方结构。

与常规的辛醇弥散介质相比，环氧树脂的粘滞性增加了晶体的松弛时间。因此可以把样品曝置在紫外光辐照之中，在保持单面心立方结构时固化树脂。紫外辐射曝光后，在诸球体之间的环氧树脂形成强的相互连接的基体使晶体结构牢固并基本上保持恒定。

另外，固态的相互连接基体有利于生产反面心立方结构，该结构显示出出现宽的满光子能带间隙。例如，聚合物胶体球可以溶解在合适的溶液中加以去除。可加入非线性材料或诸如激光染料之类活性材料以填充因溶去胶体球而留下的空隙。这就提供了一条在不能直接采用常规方法时生产材料中光子晶体的途径。

采用固态悬胶介质也可以改变支撑的外平行板的机械性能，因为用这种方法产生的胶体晶体可作自支撑。例如，可以减薄用来在晶体生长相对保持胶体的二平行板的厚度，在这种情况下，固相弥散介质的机械性能有助于结构总强度的提高。

另外一种情况，在引入胶体之前可拆除的膜或隔膜可加在一片或二片平行板的内表面上。晶体生长完成以及弥散介质固化之后，可除去平行板而露出坚固的叠层状的胶体光子晶体膜。可拆除的膜或隔膜既可以是刚性的也可以是柔性的，允许叠层状胶体晶体叠置到第二表面，使之适合表面(受到控制的固化的悬浮介质显示出合适的机械性能)，在另一种结构中，悬浮介质固化之后，可完全除去平行板。这可以通过将脱模剂直接加在二平行板或其中之一的内表面加速进行。但该方法要求悬胶介质对结构提供足够的机械强度，因为完全消除了外平行板。

考虑到生产大尺度的胶体光子晶体的潜在需求，图7大致示出了一个适合工业生产要求的实例。保留复合二维剪切作用的方法，而且如图7所示，通过向二滚轴(30，31)之间的胶体施加剪切作用来实施该方法。在此实例中，将胶体(1)插入二柔性薄膜隔膜(32，33)间，施加复合剪切作用于二滚轴(30，31)间，滚轴相互作相对平移(33)。作用到滚轴(30，31)上的平移运动(33)基本上垂直于胶体进入滚轴的方向。柔性薄膜隔膜由卷筒(34，35)提供，从而有助于胶体光子晶体薄膜(37)的连续生产。当胶体晶体从滚轴形成就可用已提到过的任何一个方法来固化弥散介质。例如，弥散介质是一种紫外光固化的环氧树脂，可以采用紫外光源(36)。

在另一个布置中，可以提供分离剪切作用和滚轧装置，分别施加平移运动并通过该过程馈送胶体，产生剪切作用的装置可设计成非转动机件。

在前面讨论过的实例中，集中在配置尺度单一化的聚合物胶体球的胶体光子晶体。但是替换材料可以用于胶体球，包括非线性光学材料、磁性材料、金属、半导体、掺杂玻璃(例如：使用活性染料掺杂质)，掺杂聚合物(例如：使用活性染料掺杂质)以及二氧化硅。

此外，用复合二维剪切作用工艺而不必改变弥散介质从液相到固相的相，可以生产基本上稳定的胶体光子晶体和反面心立方结构。

例如，采用尺度单一化的二氧化硅胶体球可使胶体光子晶体在晶体生长的某一合适的阶段固定为单面心立方结构，通过将尺度单一的二氧化硅胶体球弥散分布于弥散介质中，制备胶体晶体，在胶体晶体生长后可将弥散介质除去，通常，胶体由浮悬在辛醇中二氧化硅胶球组成，其体浓度足于产生自发结晶(大于49％的体积)。悬浮液放置在二玻璃片(2，3)之间，加压使二板间的空间完全充满。间隔珠用于控制玻璃的间隔，施加复合二维剪切作用，使晶体使排成单面心立方结构。

在生长过程结束时，将弥散介质从胶体晶体中去除，烧结二氧化硅胶球(加热)，使球融化。烧结后，二氧化硅胶球形成胶体球的自支撑结构，胶体球周围为相互连接的空洞基体所围绕。相互连接的空洞基体随后可以被其他物质所填充，以改善胶体光子晶体的光学特性。用于填充空洞的物质可以是任何高折射率的材料：金属、半导体或活性材料。随后可除去二氧化硅胶球，例如用刻蚀，以形成反面心立方结构，这种结构的光子能带间隙比原先普通常规的结构显得更宽。

上述生产基本上稳定的胶体光子晶体和反面心立方结构的过程中，二氧化硅胶球可以被不同的材料所替代。例如：利用类似的效应使聚合物球融化。如前所述，相互连接的空洞基体可用其他材料填充而聚合物体并且随后可以除去，从而形成反面心立方结构。

通过发展受控生长多重大面积胶体晶畴可获得另外的令人感兴趣的光学效应。可以对相邻晶畴裁剪从而使其表现出不同的光学特性。

仍然保留复合二维剪切作用工艺，将二个平行平面的内表面，或是将其中之一的内表面织构化，以促使生长多重晶畴。织构化表面会呈显出特殊的花样以控制晶体畴生长成择优的结构。也可以采取任何合适的方法将织构或花样加到平行板上，该合适的方法包括刻蚀法和浮雕镂刻法。

这里所描述的生产单面心立方胶体光子晶体的方法可用于生产各种光学器件，包括光滤波器和光限制器，单面心立方胶体光子晶体的反射特性也提供了进一步深入开发光学器件的机会。

Claims (34)

1.一种生长基本上完美的并显示有单面心立方结构的胶体光子晶体的方法，该方法包括以下步骤：

i.制备含有尺度单一的胶体球(1)的悬浮液，其体积浓度足于在合适的弥散介质中产生自发局部结晶，

ii.将胶体悬浮液插入二基本上平行的表面(2，3)之间的空隙中，

iii.使表面作平行于它们表面的相对振动((5)和，

iv.使表面互相互作一系列小线性位移(6)，位移平行于它们的表面并且是在二维的，包括不断将线性位移相对于另一个表面施加到其中之一的表面，沿着单一的恒定方向，将向表面施加线性位移的方向基本上旋转120°的角度，并继续重复向表面施加线性位移，直到胶体光子晶体被纯化成为单面心立方结构。

2.按照权利要求1的方法，其中为了固定胶体的结晶结构，弥散介质可以从液相变到固相。

3.一种生长基本完美的并显示有单面心立方结构的胶体光子晶体的方法，该方法包括以下步骤：

i.制备尺度单一的胶体球(1)的悬浮液，它具有在弥散介质中产生自发局部结晶的体浓度，为了固定胶体的结晶结构，弥散介质可以从液相变到固相，

ii.将胶体悬浮液插入在二基本上平行的表面(2，3)之间的空隙中，和

iii.使表面平行他们的表面(5)作相对振动，

4.按照任何上述任何权利要求的方法，其中施加到表面的小线性位移的幅度基本上等于胶体球的直径和晶体中结晶层数目的乘积。

5.按照权利要求1或2的方法，其中表面相互之间以一个等边三角形移动。

6.按照任何上述权利要求方法，其中尺度单一的胶体球的最小体积比为0.49。

7.按照上述任何权利要求的方法，其中尺度单一的胶体球的半径范围在0.01μm到100μm。

8.按照上述任何权利要求的方法，其中尺度单一的胶体球的半径范围在0.05μm到10μm。

9.按照上述任何权利要求的方法，其中用来作为胶体球的材料至少是下列材料之一：聚合物、非线性材料、磁性材料、金属、半导体、掺有活性染料的玻璃、掺活性染料的聚合物、二氧化硅。

10.按照权利要求9的方法，其中胶体球是有机玻璃。

11.按照权利要求1的方法，其中用于弥散介质的材料至少是下列材料之一：粘合剂、聚合物、树脂、非线性光学材料、活性光学材料、辛醇。

12.按照权利要求11的方法，其中用于弥散介质的活性光学材料为液晶材料。

13.按照权利要求1的方法，其中随后将弥散材料从胶体光子晶体中除去，留下被相互连接的空洞基体所围绕的胶体球所组成的结构。

14.按照权利要求13的方法，该方法还包括将替代材料引入围绕胶体球的相互连接的空洞基体中的后续步骤。

15.按照权利要求14的方法，其中替代材料至少是下列材料之一：金属、半导体、非线性光学材料，活性光学材料。

16.按照权利要求15的方法，其中替代活性光学材料是液晶材料。

17.按照权利要求15的方法，该方法还包括将胶体球从替代材料中除去的后续步骤。

18.按照权利要求12或16的方法，该方法还包括步骤，添加到胶体光子晶体的装置以将电场施加到液晶材料。

19.按照权利要求2-10中任何一项的方法，其中用于弥散介质的材料至少是粘合剂、聚合物、树脂中的一种。

20.按照权利要求1或19的方法，其中弥散介质为环氧树脂，并且还包括固化树脂以便在胶体球之间形成固态的相互连接的空洞基体的后续步骤。

21.按照权利要求20的方法，其中固化过程至少包括暴露于电磁辐射、紫外辐射、化学反应、升高温度之一。

22.按照权利要求2或3的方法，其中基本平行表面(2，3)中的至少一个表面包含基本柔性的隔膜。

23.按照权利要2、3或22的方法，其中通过滚动装置(30，31)施加一系列小线性位移(6)到表面，以产生块体胶体光子晶体膜(37)。

24.按照权利要求2或3的方法，该方法还包括中间步骤，其中在引入胶体悬浮液之前将可拆卸隔膜施加到至少平行表面中的一个的内表面。

25.按照任何上述权利要求中任何一项的方法，其中至少二平行表面之一的内表面被织构化，以促使生产多重晶体畴。

26.按照上述权利要求中任何一项的方法，其中弥散介质的折射率基本上不同于胶体球的折射率。

27.按照权利要求26的方法，其中胶体球和弥散介质之间的折射率比大于2。

28.按照权利要求2或3的方法，该方法还包括从固化的弥散介质中除去胶体球的后续步骤。

29.按照权利要求28的方法，该方法还包括将替代材料引入固化弥散介质的空洞中的后续步骤。

30.按照权利要求29的方法，其中替代材料至少是非线性光学材料，活性光学材料或激光染料中的一种。

31.按照权利要求1、2或3的方法，其中二个表面是同心圆柱面(20，21)。

32.一种由上述权利要求中的任何一项方法所产生的基本完美的，单面心立方结构胶体光子晶体。

33.一种具有按照权利要求32的胶体晶体的光学陷波滤波器，其中选择胶体球半径和弥散介质的折射率相互配合以反射至少一个特定波长并透过其他波长。

34.按照权利要求32的具有胶体晶体的光学器件，该器件还包括

液晶材料，和

给液晶材料施加电场的装置，

其中将可变电场加到液晶材料，以改变液晶材料和胶体球之间的折射率反差。

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