CN1800914A - 莫尔光子晶体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
莫尔光子晶体的制备方法是将两个具有相同周期结构的光子晶体互相旋转一定角度后重叠起来，从而构成莫尔光子晶体，具体操作过程有采用蛋白石结构的莫尔光子晶体制备，或反蛋白石结构的莫尔光子晶体制备，或利用微加工工艺进行莫尔光子晶体制备；其中蛋白石结构的莫尔光子晶体制备针对聚苯乙烯、或聚甲基丙烯酸甲酯、或二氧化硅利用自组装方法可以有序排列起来的纳米或微米球，反蛋白石结构的莫尔光子晶体制备针对粉末状介电材料，利用微加工工艺进行莫尔光子晶体制备针对介电薄膜材料。利用莫尔效应制备的光子晶体有着非常丰富的结构变化。可以得到多种新结构的光子晶体，从而降低了制备成本，提高了新结构光子晶体的开发和制备效率。
Description
技术领域
本发明是一种用于新型结构光子晶体制备的方法，属于光子晶体制备的技术领域。
背景技术
光子晶体是一类先进的光子材料，它由两种不同的介电质材料在空间按照一定的周期排列构成。类似于半导体中的禁带，光子晶体中也存在着相对于光传播的禁带，因此它可以实现对光的操控和调制等功能。利用光子晶体可以构造低阀值激光器和利用普通方法无法实现的直(锐)角光导器件，同时光子晶体也是下一代光子计算机中器件的主要构成部分，因此国际上极其重视这类材料的发展。在进一步的研究中随着超透镜效应、超棱镜效应、负折射率等一系列新的效应的陆续发现，光子晶体更成为信息材料中的佼佼者，各国政府以及大公司都相继投巨资进行相关的研究。这使得光子晶体的研究能够在短短的十几年的时间里得到飞速的发展。现在光子晶体已经在光(微波)通讯、显示、记录等与信息产业密切相关的诸多领域里展示了很好的应用前景。处于胶体溶液中的电介质纳(微)米颗粒在毛细作用力的驱动下，会在衬底上自动排列成特定的有序结构，这种有序结构同样具有光子晶体特性。但是在没有其它外场的作用下，这些尺寸相同的纳(微)米粒子只能排列成简单四方和密堆积六方结构的光子晶体，结构的单一化使得光子晶体在光学特性上缺乏多样性，不利于光子晶体的发展，因此制备新结构的光子晶体对光子晶体材料的开发和应用
目前，自组装方法是制备胶体光子晶体的重要手段。至关重要。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种莫尔光子晶体的制备方法，通过该方法，我们可以方便的得到多种新型结构的光子晶体，从而解决现有自组装方法中只能得到四方和六方密堆积结构的光子晶体、光子晶体结构过于单一化的问题，从而为光子晶体带来新的光学特性。
技术方案：在本发明中，我们主要利用莫尔效应来制备新型光子晶体。
当两组相同的图形以一定偏角重叠在一起的时候，由于图形的互相干涉，会产生新的图案，这种效应被称为莫尔效应，产生的图案为莫尔图案(MoiréPattern)。光子晶体具有高度有序的周期结构，因此，将两层或多层二维光子晶体重叠，可产生莫尔图案，构成新型光子晶体。这种制备新型光子晶体(莫尔光子晶体)的方法，目前在国内外均未见报导。下面我们介绍莫尔光子晶体的制备方法，该制备方法主要包括蛋白石结构、反蛋白石结构的莫尔光子晶体制备以及基于微刻蚀方法进行的莫尔光子晶体制备。
莫尔光子晶体的制备方法是将两个具有相同周期结构的光子晶体互相旋转一定角度后重叠起来，从而构成莫尔光子晶体，具体操作过程有采用蛋白石结构的莫尔光子晶体制备，或反蛋白石结构的莫尔光子晶体制备，或利用微加工工艺进行莫尔光子晶体制备；其中蛋白石结构的莫尔光子晶体制备针对聚苯乙烯(PS)、或聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、或二氧化硅(SiO2)利用自组装方法可以有序排列起来的纳米或微米球，反蛋白石结构的莫尔光子晶体制备针对粉末状介电材料，利用微加工工艺进行莫尔光子晶体制备针对介电薄膜材料。
蛋白石结构的莫尔光子晶体制备方法为：首先，利用自组装方法，在衬底上制备二维有序排列的聚苯乙烯、或聚甲基丙烯酸甲脂、或二氧化硅的纳米或微米颗粒阵列，构成聚苯乙烯、或聚甲基丙烯酸甲脂、或二氧化硅胶体光子晶体，然后在略高于材料的玻璃化温度的环境中，使颗粒互相粘连在一起形成自持膜，去掉衬底后，将两层相同的胶体膜互相旋转一定的角度，然后重合，即得到蛋白石结构的莫尔光子晶体；这里，聚苯乙烯、或聚甲基丙烯酸甲脂处理温度范围在100～150℃，二氧化硅处理温度范围在600～650℃。胶体纳米或微米颗粒采用聚苯乙烯、或聚甲基丙烯酸甲脂、或二氧化硅材料。
反蛋白石结构的莫尔光子晶体制备方法为：
a.制备二维胶体光子晶体：利用自组装方法，在衬底上制备二维有序排列的聚苯乙烯、或聚甲基丙烯酸甲脂、或二氧化硅的纳米或微米颗粒阵列，构成聚苯乙烯、或聚甲基丙烯酸甲脂、或二氧化硅胶体光子晶体，
b.在二维胶体光子晶体纳米或微米颗粒之间填充介电材料，介电材料为氧化锌、或二氧化钛，
c.去掉衬底和纳米或微米颗粒阵列，剩下填充介电材料，得到反蛋白结构的二维光子晶体自持膜，
d、将两层光子晶体膜互相旋转重叠，即得到反蛋白石结构的莫尔光子晶体。
利用微加工工艺进行莫尔光子晶体制备方法为：
a、设计具有莫尔图形的刻蚀模板，
b、在衬底上制备出构成莫尔光子晶体的介电材料薄膜：利用蒸镀、或溅射、或涂复的方法在衬底上制备金属、或半导体、或有机物介电材料薄膜，
c、将具有莫尔图形的刻蚀模板覆盖在介电材料薄膜上，利用光刻、或激光束、或电子束的微加工手段，将光束、或电子束垂直穿过具有莫尔图形的刻蚀模板中的空隙，照射在介电材料薄膜上，在电介质膜上制备出莫尔图形，从而形成莫尔光子晶体。
有益效果：目前，制备胶体光子晶体主要采用自组装方法，但是在没有外场作用下，很难得到除四方和六方结构之外的其它新结构的光子晶体。将莫尔效应用于光子晶体的制备，可以改变目前光子晶体结构过于单一的现状，因为将两种相同结构的光子晶体互相偏转一定的角度后，由于图形间相互干涉，会产生新的图案。并且，每一次角度的细微变化都会产生不同的图形(结构)。因此，利用莫尔效应制备的光子晶体有着非常丰富的结构变化。此外，在光子晶体的制备中，利用莫尔效应无需引入附加外场(如：电场、磁场等)，就可以得到多种新结构的光子晶体，从而降低了制备成本，提高了新结构光子晶体的开发和制备效率，同时也为光子材料的设计提供了新的概念。
附图说明
图1是由两组相同的四方点阵构成的莫尔图案。其中图1a为15°重叠莫尔光子晶体的示意图，图1b为45°重叠莫尔光子晶体的示意图。
图2是制备蛋白石结构的莫尔光子晶体。其中图2a是制备二维胶体光子晶体的示意图，图2b是加温固化胶体分子膜的示意图，图2c是将光子晶体膜旋转重叠的示意图，图2d是蛋白石结构的莫尔光子晶体投影的示意图。
图3是反蛋白石结构的莫尔光子晶体。图3是a由简单四方反蛋白石结构构成的莫尔光子晶体，旋转角度45°的示意图，图3是b由六方反蛋白石结构构成的莫尔光子晶体，旋转角度30°的示意图。
具体实施方式
实现莫尔光子晶体制备的关键在于，将两种相同结构的简单光子晶体按照一定的偏转角度互相重叠起来。简单的光子晶体可以由自组装方法得到。利用微加工手段，可以直接得到莫尔光子晶体。结合自组装和微加工手段，这里介绍三种制备莫尔光子晶体的方法：蛋白石结构的莫尔光子晶体制备、反蛋白石结构的莫尔光子晶体制备和利用微加工工艺进行的莫尔光子晶体制备的方法。
1、蛋白石结构的莫尔光子晶体制备：
蛋白石结构的光子晶体是指电介质纳(微)米颗粒在衬底上排列成的六方密堆积结构。蛋白石结构的莫尔光子晶体制备过程如图2所示。首先，在衬底上制备二维排列的六方密堆积的蛋白石结构胶体晶体(图2a)，利用自组装方法，在衬底上制备二维有序排列的聚苯乙烯、或聚甲基丙烯酸甲脂、或二氧化硅的纳米或微米颗粒阵列，构成聚苯乙烯、或聚甲基丙烯酸甲脂、或二氧化硅胶体光子晶体，然后在略高于材料的玻璃化温度的环境中，使颗粒互相粘连在一起形成自持膜(图2b)，去掉衬底后，将两层相同的胶体膜互相旋转一定的角度，然后重合(图2c)，即得到蛋白石结构的莫尔光子晶体，其投影形状如图2d。；这里，聚苯乙烯、或聚甲基丙烯酸甲脂处理温度范围在100～150℃，二氧化硅处理温度范围在600～650℃。
2、反蛋白石结构的莫尔光子晶体制备：
反蛋白石结构是指在蛋白石结构的基础上，在有序排列的纳(微)米颗粒的空隙间填充介电材料，然后去掉纳(微)米颗粒后，由填充的介电材料构成的中空结构。类似于蛋白石结构的莫尔光子晶体制备方法，反蛋白石结构的莫尔光子晶体制备方法为：
制备二维胶体光子晶体：利用自组装方法，在衬底上制备二维有序排列的聚苯乙烯、或聚甲基丙烯酸甲脂、或二氧化硅的纳米或微米颗粒阵列，构成聚苯乙烯、或聚甲基丙烯酸甲脂、或二氧化硅胶体光子晶体，
在二维胶体光子晶体纳米或微米颗粒之间填充介电材料，介电材料为氧化锌、或二氧化钛。
去掉衬底和纳米或微米颗粒阵列，剩下填充介电材料，得到反蛋白结构的二维光子晶体自持膜，
将两层光子晶体膜互相旋转重叠，即得到反蛋白石结构的莫尔光子晶体。(如图3)。
3、利用微加工工艺进行莫尔光子晶体制备
利用光刻、激光束刻蚀和电子束刻蚀等微细加工方法，也可以实现莫尔光子晶体的制备。其过程为：
设计具有莫尔图形的刻蚀模板，
在衬底上制备出构成莫尔光子晶体的介电材料薄膜：利用蒸镀、或溅射、或涂复的方法在衬底上制备金属、或半导体、或有机物介电材料薄膜，
将具有莫尔图形的刻蚀模板覆盖在介电材料薄膜上，利用光刻、或激光束、或电子束的微加工手段，将光束、或电子束垂直穿过具有莫尔图形的刻蚀模板中的空隙，照射在介电材料薄膜上，在电介质膜上制备出莫尔图形，从而形成莫尔光子晶体。
Claims (6)
1.一种莫尔光子晶体的制备方法，其特征在于制备方法是将两个具有相同周期结构的光子晶体互相旋转一定角度后重叠起来，从而构成莫尔光子晶体，具体操作过程有采用蛋白石结构的莫尔光子晶体制备，或反蛋白石结构的莫尔光子晶体制备，或利用微加工工艺进行莫尔光子晶体制备；其中蛋白石结构的莫尔光子晶体制备针对聚苯乙烯、或聚甲基丙烯酸甲脂、或二氧化硅利用自组装方法可以有序排列起来的纳米或微米球，反蛋白石结构的莫尔光子晶体制备针对粉末状介电材料，利用微加工工艺进行莫尔光子晶体制备针对介电薄膜材料。
2.根据权利要求1所述的莫尔光子晶体的制备方法，其特征在于蛋白石结构的莫尔光子晶体制备方法为：首先，利用自组装方法，在衬底上制备二维有序排列的聚苯乙烯、或聚甲基丙烯酸甲脂、或二氧化硅的纳米或微米颗粒阵列，构成聚苯乙烯、或聚甲基丙烯酸甲脂、或二氧化硅胶体光子晶体，然后在略高于材料的玻璃化温度的环境中，使颗粒互相粘连在一起形成自持膜，去掉衬底后，将两层相同的胶体膜互相旋转一定的角度，然后重合，即得到蛋白石结构的莫尔光子晶体；这里，聚苯乙烯、或聚甲基丙烯酸甲脂处理温度范围在100～150℃，二氧化硅处理温度范围在600～650℃。
3.根据权利要求1所述的莫尔光子晶体的制备方法，其特征在于反蛋白石结构的莫尔光子晶体制备方法为：
a.制备二维胶体光子晶体：利用自组装方法，在衬底上制备二维有序排列的聚苯乙烯、或聚甲基丙烯酸甲脂、或二氧化硅的纳米或微米颗粒阵列，构成聚苯乙烯、或聚甲基丙烯酸甲脂、或二氧化硅胶体光子晶体，
b.在二维胶体光子晶体纳米或微米颗粒之间填充介电材料，
c.去掉衬底和纳米或微米颗粒阵列，剩下填充介电材料，得到反蛋白结构的二维光子晶体自持膜，
d、将两层光子晶体膜互相旋转重叠，即得到反蛋白石结构的莫尔光子晶体。
4.根据权利要求1所述的莫尔光子晶体的制备方法，其特征在于利用微加工工艺进行莫尔光子晶体制备方法为：
a.设计具有莫尔图形的刻蚀模板，
b.在衬底上制备出构成莫尔光子晶体的介电材料薄膜：利用蒸镀、或溅射、或涂复的方法在衬底上制备金属、或半导体、或有机物介电材料薄膜，
c、将具有莫尔图形的刻蚀模板覆盖在介电材料薄膜上，利用光刻、或激光束、或电子束的微加工手段，将光束、或电子束垂直穿过具有莫尔图形的刻蚀模板中的空隙，照射在介电材料薄膜上，在电介质膜上制备出莫尔图形，从而形成莫尔光子晶体。
5.根据权利要求2所述的莫尔光子晶体的制备方法，其特征在于胶体纳米或微米颗粒采用聚苯乙烯、或聚甲基丙烯酸甲脂、或二氧化硅材料。
6.根据权利要求3所述的莫尔光子晶体的制备方法，其特征在于介电材料为氧化锌、或二氧化钛。
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| CN102718912A (zh) * | 2012-06-25 | 2012-10-10 | 吉林大学 | 可控梯度的胶体光子晶体的制备方法 |
| TWI465709B (zh) * | 2013-02-05 | 2014-12-21 | Univ Nat Chiao Tung | 螢光增強裝置 |
| CN106082119A (zh) * | 2016-06-24 | 2016-11-09 | 东南大学 | 一种基于调控纳米颗粒空间分布的光子晶体制备方法 |
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