TWI230211B - Colloidal photonic crystals - Google Patents

Description

1230211 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 __B7___五、發明說明（1 ) 發明領域 本發明係有關一種膠態光晶體，且係有關一種成長強 固大面積膠態晶體及因而製造出之裝置的方法。 相關技術說明 對本發明的目的而言，係將膠態晶體定義成一種其光 學性質具有空間週期的物體。 已知有時候能夠在某些條件下使膠態懸浮液結晶以產 生呈現出有趣光學性質的膠態晶體。 這種膠態光晶體會肇因於晶體結構在光之波長標度上 呈週期性的事實而能夠修正光的行進。據此，膠態光晶 體會在包含光學濾光片及限制器的各種光學裝置中找到 應用。同時能夠使膠態光晶體的反射性質受到控制而提 供用於開發光學裝置的機會。 不過這類晶體的整體樣品通常是屬於多晶結構且包括 數百個尺寸爲100微米數量級且呈隨機定向的晶體。同 時該晶體也可能擁有包含面心立方晶格（fee)、六方密塡 晶格（hep)、及隨機密塡晶格（rep)的各種晶形結構。晶體 內這類及其他缺陷都會妨礙該晶體的光學特徵且使該晶 體不適合作材料應用。 Ρ· N. Pusey及B. Ackerson等人已於英國專利第GB 2 260 7 1 4號提出一種用於成長膠態光晶體的改良方法。 該改良方法藉由熔融並使晶體對齊成較佳結構而減少晶 體內的缺陷。明確地說，這種方法係有關一種由具單一 化尺寸之聚合物膠態球體構成的懸浮液且包含通常藉由 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

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本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1230211 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（2) 於液體內引致流動而施加直線剪力使該膠質與面心立方 晶格之晶體結構對齊。藉由這種方法形成的膠態光晶體 基本上是一種完美的面心立方晶格結構。這種方法使吾 人能夠將單晶成長在大於1平方厘米的面積上。 在成長方法的終點上，在已施加足夠剪力以建造實質 的單晶結構之後，可以密封該結構以保留該承擔液體。 可替代地，可以將某些形式的凝結劑加到該承載液體內 以改良該結構的穩定度，或是允許將該承載液體蒸發掉 而留下膠態粒子的自撐結構。 切變作用會產生兩種型式的單一面心立方晶格結構， 其中一種型式是產生於向前切變上，而第二種型式則是 產生於逆向切變上。當切變作用中止時該膠質會鬆弛爲 成雙的面心立方晶格結構。於該成雙配置的例子裡，兩 種形式的面心立方晶格結構會依一個落在另一個頂上的 方式共存於該晶體之內。 儘管該成雙的面心立方晶格結構會呈現出有用的光學 特徵，該單一面心立方晶格配置會提供改良成越越前者 的光學性質。例如，該單一面心立方晶格結構會展現出 已改良的光學帶縫隙性質且能夠使之最佳化成對極大範 圍之入射輻射角及偏光角（對落在有限波長範圍之內的 入射輻射而言）具有反射作用；其實例可以參見 Yablonovitch等人的論文「三維光能帶結構（Three-dimensional photonic band structure)」[Yablonovitch，E·， Gmitter，T. J·，Leung，K. M·，Meade，R. D·，Rappe，A· M·， -4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------1 ------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 線

1230211 A7 _ B7 五、發明說明（3 )

Brommer，K. D·，Joannopoulos，J. D·，發表於 Opt. & Qu. Elect.，24，S273，1992 的論文”Three-dimensional photonic band structure”]以及其中的參考文獻。因此’該單一面 心立方晶格結構會爲高品質光學裝置提供更大的潛力’ 但是因爲其晶體會有鬆弛爲成雙的面心立方晶格結構的 傾向，而無法藉由前述線性切變方法加以製作。 對新近膠態光晶體的另一種限制係有關該晶體的物理 性質。新近的膠態光晶體是非常易脆而缺乏永久性的’ 大體上係肇因於只能將其結晶層保持於剛性平行板之間 定位內的事實。參照將該承載流體保留於該膠態晶體之 內的結構，該密封作用可能會變成折衷而允許該承載液 體的不必要蒸發作用並引致晶形結構的降解。此外，該 晶體的物理尺度會保持非常小而預先排除了於光學應用 中普遍採用膠態光晶體的情形。 發明之槪要說明 本發明的目的是提供一種用於製造強固大面積膠態晶 體的改良方法。 根據本發明，一種用來成長基本上會呈現出單一面心 立方晶格結構之理想膠態光晶體的方法，其中包括如下 步驟： 製備具單一化尺寸之膠態球體的懸浮液，其具有能夠 於適當分散劑內產生自發性區域結晶的體積濃度； 將該膠態懸浮液塞入兩個實質上呈平行之表面間的縫 隙之內； 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -------- I ^-------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 !23〇2ΐι A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 I、發明說明（4) 使各表面接受平行於它們表面的相對震盪運動；以及 使各平面接受一系列很小的相對線性位移，位移都是 平行於它們的平面且是二維的’包括的順序有：對其中 一個平面相對於另一個平面的施加線性位移’在單一定 常方向，將加到該表面之線性位移的方向實質上旋轉 1 20度並將另一個線性位移加到該表面上，重複該順 序，直到已將該膠態光晶體純化成單一面心立方晶格結 構爲止。 較佳地是，該分散劑是一種能夠從液相改變成固相以 固定該膠態晶形結構的介賛。 旋轉方向可爲順時鐘或是逆時鐘的方向。 於另一種配置中，一種用來成長基本上會呈現出單一 面心立方晶結構之完美膠態光晶體的方法，包括如下步 驟： 製備由具單一化尺寸之膠態球體的懸浮液，其具有於 分散劑內產生自發性區域結晶作用的體積濃度，而分散 劑能夠從液相改變成固相以固定該膠態晶形結構； 將該膠態懸浮液塞入兩個實質上呈平行之表面間的縫 隙之內；以及 使各平面接受平行於它們表面的相對震盪運動。 特別是，施加於表面上很小線性位移的量値是實質上 等於該膠態球體之直徑與該晶體內之結晶層數目的乘 積。 於一種較佳配置中，各表面係依等腰三角形的方式相 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁)

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1230211 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（5) 互地作相對位移。 單一化尺寸之膠態球體的最小容積率有利地爲0.49, 較佳的是使該具單一化之膠態球體的半徑落在從0.01微 半到100微米的範圍內。 較佳的是使該具單一化尺寸之膠態球體的半徑落在從 〇·〇5微米到10微米的範圍內。 該膠態球體可包括至少聚合物、非線性材料、磁性材 料、金屬、半導體、攙雜有活性染料的玻璃、挽雜有活 性染料的聚合物、及矽石之一。特別是，該膠態球體可 能是聚甲基甲丙酸酯。 用於該分散劑的材料較佳地至少是黏著劑、聚合物、 樹脂、非線性光學材料、活性光學材料、及辛醇之一。 於一種較佳實施例中，用於該分散劑的活性光學材料 是一種液晶材料。 於一種配置中該分散劑隨後從膠態光晶體內去除而留 下包括圍繞有由空隙構成之交連基體之膠態球體的結 構。隨後可以將一種替代材料引進圍繞各膠態球體之由 空隙構成的父連基體之內。該替代材料可能至少是金 屬、半導體、非線性光學材料、及活性光學材料之一。 於一種較佳實施例中，該膠態球體其後可從該替代材 料內去除以產生一種反轉的單一面心立方晶格結構。 於另一種較佳實施例中，用於該替代材料之活性光學 材料是一種液體材料。 在該分散劑或是該替代材料是一種液晶材料的場合 時，用於將電場加到該液晶材料上之機制可以加入該膠 態光晶體。 " 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297^57 (請先閱讀背面之注意事 ___ 項再填寫本頁) tr---------處

!23〇211 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 i、發明說明（6) 於一種較佳實施例中，該分散劑是一種環氧樹脂，且 一種用來成長基本上會呈現出單一面心立晶格結構之理 想膠態光晶體的方法又包括對該樹脂進行熟成以便在各 膠態球體之間形成固態交連基體的後續步驟。 該熟成方法較佳地包含至少電磁輻射的曝光、紫外線 輻射的曝光、化學反應、及增溫之一。 至少該實質平行的表面之一可能包括一種具有實質彈 性的薄膜。 於一種較佳實施例中，可以藉由滾動機制將線性位移 施加到平行表面上而產生整體膠態光晶體膜。 於另一種較佳實施例中，該方法又包含在引進該膠態 浮液之前，將一可卸除薄膜施加到該平行平面中至少一 個的內面上的中間步驟。 至少一平行表面的內面可以就紋以提高多重晶體領域 的成長。 該分散劑的折射指數實質上可能是與該膠態球體的折 射指數不相同的。此外，該膠態球體與該分散劑之間的 折射指數比可能是大於2的。 於一種較佳實施例中，該方法包含從該已固化的分散 劑上去除該膠態球體以產生反轉的單一面心立方晶格結 構的後續步驟。 於另一種較佳配置中，該方法也包括將替代材料引進 因從該已固化的分散劑去除該膠態球體而產生之空隙內 的後續步驟，因此產生了一種替代性單一面心立方晶格 ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） -I I I I I 1 I — — — — — — — — (請先閱讀背面之注意事項#填寫本頁)

l23〇2li A7 B7 五 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發明說明（7) 結構。該替代材料可能是一種非線性光學材料、活性光 學材料、或是雷射染料。 •於一種較佳配置中，用來保留該膠態懸浮液的兩個表 面可能是同心的圓柱體。 依本發明的第二槪念，提供了一種根據上述方法而成 長的膠態晶體。

於一種較佳配置中，該膠態晶體形成一種光學凹槽濾 光片，其中選擇了該膠態球體的半徑以及該分散劑的折 射指數，以結合反射至少一個特定波長並透射其他波長 的作用。 於另一種較佳配置中，係將該膠態晶體結合於一種光 學裝置內，而該配置也包括液晶材料以及用於將電場加 到該液晶材料上的機制，其中可以將可變電壓加到該液 晶材料上以改變該液晶材料與該膠態球體的之間的折射 指數反差。 圖式簡述 現在吾人將只藉由實例並參照各附圖以說明本發明， 其中： 第1圖顯示的是一種藉由將線性剪力加到由具單體尺 寸之聚合物膠態球體構成的懸浮液以成長膠態光晶體的 習知方； 第2圖係用以顯示一種用來彰顯該膠態光晶體特徵之 配置的示意圖； 第3圖係用以顯示於成長處理期間所產生的三個不同 繞射圖形的示意圖，明確地說，第3a和3b圖分別係用 以顯75由兩種單一面心立方晶格晶體形式產生的繞射圖 形，而第3c圖顯示由成雙的面心立方晶格結構在成長 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1230211 A7 1 _B7__ 五、發明說明（8) 處理的起點上所形成的繞射圖形； 第4圖係用以顯示於成長處理期間所產生之各種晶形 結構上經繞射輻射強度對入射角（0 )的曲線圖； 第5 a圖顯示的是一種藉由將複合式二維剪力加到該 膠態晶體上以產生膠態光晶體的改良方法； 第5b圖顯示的是一種於藉由將複合式二維剪力加到 呈圓柱幾何之該膠態晶體上以產生膠態光晶體的改良方 法； 第6a圖顯示的是該複合式剪力處理中的疊代步驟以 及將連續剪力加到該晶體上的方向； 第6b圖顯示的是一種以等腰三角形方式施行該複合 式剪力處理的特定實例； 第7圖係簡略地顯示了一種利用該複合式二維剪力方 法大量生產單一面心立方晶格之膠態光晶體的技術。 較佳實施例的詳細說明 參照第1圖，習知方法利用的是放置於兩個玻璃平板 (2,3)之間的由具單一化尺寸之聚合物膠態球體（1)構成的 懸浮液以成長膠態晶體。通常該膠體係由以能夠產生自 發性結晶作用之體積濃度（實際上大於49體積％ )懸浮 於辛酸內之800奈米聚甲基甲丙酸酯球體構成的。淸潔 兩個玻璃平板（2,3)並將10微米的間隔珠（4)散佈於其中 一個平板之上。將該膠態懸浮液（1)放在某一平板上且將 另一個平板放到其頂部並施加壓力以致各平板之間的空 間完全被塡滿。在這一點上，該樣品是一種包括隨機定 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -------^—訂卜--------· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1230211 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 31、發明說明（9) 向之小型晶體的多晶結構。 現在藉由將相對於下面平板（3)之震盪式線性橫向位移 (5)加到頂部平板（2)上使該樣品受到剪力作用。該線性 橫向震盪是被限制在單一方向（圖中表爲X-方向）上且 其振幅大槪等於平板（2)與（3)之間的縫隙的十倍。這會 使晶片卡熔化並使該膠體與各六方密塡晶格層對齊。 然後藉由具有較小振幅的線性震盪使該樣品受到剪切 作用而強迫該膠體形成面心立方晶格結構。該震盪的震 盪通常是等於該膠態球體之直徑與該晶體內之結晶層數 目的乘積。重要的是在向前剪切衝程上產生了一種面心 立方晶格結構而在向後衝程上產生了另一種面心立方晶 格結構。若該剪切作用中止了，則該膠體會鬆驰爲成雙 的面心立方晶格結構，兩種形式的面心立方晶格結構會 依一個落在另一個頂上的方式共存。 參照第2圖，該膠態晶體的光學性質係取決於晶體結 構且能夠以這種現象彰顯所產生膠態晶體結構的特徵。 以雷射光束（11)照射該樣品晶體（10)並將繞射光點（12)的 強度當作入射光束之角度0 (13)的函數加以量測。於該 剪切作業期間，藉由兩種型式的面心立方晶格結構中的 每一種產生不同的繞射圖形。 在向前切變衝程上，該第一單一面心立方晶格結構會 產生一種包括三個間隔1 20度之布雷格光點的繞射圖 形，如第3a圖所示。在反轉切變衝程上，該第二單一 面心立方晶格結構會產生一種包括三個間隔1 20度之布 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------^-訂π— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1230211 A7 B7 五、發明說明（） 雷格光點的繞射圖形，如第3b圖所示。在去除該線性 剪力時，該膠質會鬆驰爲成雙的面心立方晶格結構且使 全部六個布雷格光點都是可見的，如第3c圖所示。 參照第4圖，係經繞射之輻射強度對入射角（0 )的曲 線圖，以顯示其於剪切處理期間所產生之各種晶形結構 的空間分布及強度。各繞射光束之強度及空間分布在定 出晶形結構的作業上是很重要的參數且會對任何結合有 該膠態光晶體之有潛力光學裝置造成衝擊。第4a圖顯 示的是在將任何剪切加到樣品上之前來自隨機密塡晶格 結構的回應。第4b圖顯示的是來自具六方密塡晶格之 晶體的回應。第4c和4d圖顯示的分別是兩種單一面心 立方晶格結構上強度對入射角的曲線圖。 可以藉由利用強化其剪切處理而排除該膠態晶體會鬆 驰爲成雙之面心立方晶格結構的傾向，如第5a和5b圖 所示。 參照第5a圖，用以產生單一面心立方晶格之強化方法 係利用放置於兩個玻璃平板（2,3)之間的單一化尺寸之聚 合物膠態球體（1)懸浮液。該膠體係由以能夠產生自發性 結晶作用之體積濃度（實際上大於49%的體積）懸浮於 辛醇內之800奈米聚甲基甲丙酸酯球體構成的。兩個玻 璃平板（2,3)予以淸潔並將10微米的間隔珠（4)散佈於其中 一個平板之上。將該膠態懸浮液（1)放在某一平板上且將 另一個平板放到其頂部並施加壓力以致各平板之間的空 間完全被塡滿。得到一種包括隨機定向之小型晶體的多 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

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五、發明說明（U) 晶樣品。 現在藉由將相對於下邊平板（3)之震盪式線性橫向位移 (5)施加到頂部平板（2)上，使該樣品受到剪切作用。該 線性橫向震盪是被限制在單一方向，第5圖中表爲X-方 向。通常該線性橫向震盪的振幅是等於平板（2)與（3)之 間的縫隙的十倍。這會使晶片卡熔化並使該膠體與各六 方密塡晶格層對齊。 然後’藉由將一系列的剪切力施加到該樣品上使之受 到複合式剪切（6)。該系列的剪切力會導致該頂部平板（2) 進行一系列相對於該下邊平板（3)的線性二維位移。該樣 品內的結晶層會經歷到同時具有X和y方向成份之剪切 力的作用，而強迫該膠體形成單一面心立方晶格結構， 且確保使該單一面心立方晶格結構維持在成雙的面心立 方晶格結構上。 該複合式剪切處理是如第6a圖所示。明確地說，該 複合式方法係藉由於基板平面內連續剪切之間在剪力加 到該晶體上之方向實質旋轉了 +1 20度（角度p )的步驟 達成的。這會產生第一種形式的單一面心立方晶格結 構。 可替代地，於基板平面內連續剪切之間在剪力加到該 晶體上之方向實質上爲旋轉了 -1 20度（角度p )。則於 該晶體內產生替代形式的單一面心立方晶格結構。 雖則存在有臨限値且在高於該臨限値時晶體結構會熔 融並使膠體與六方密塡晶格層對齊’然而該連續線性位 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -------*—訂 π-------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1230211 A7 ^__B7 __ 五、發明說明（12) 移並非必須具有相等的量値。通常每一個線性位移的量 値都是等於該膠態球體之直徑與該晶體內之結晶層數目 的乘積。重複該處理直到所有結晶層都受到剪切而變成 一種單一面心立方晶格結構爲止。能夠藉由以雷射光束 照射該樣品並將經繞射之布雷格光點的強度當作入射光 束角度的函數（參照第2圖）加以量測而確認其晶形結 構。 通常，於複合式剪切處理期間，由頂部平板（2 )加以說 明的路徑是一種如第6b圖所示的等腰三角形。 也能夠以圓柱幾何施行如第5b圖所示之複合式二維 剪切。參照第5b圖，將由具單一化尺寸之聚合物膠態 球體（1)構成的懸浮液放置於呈同心配置的圓柱板（20)與 圓柱桿（21)之間。現在，藉由將繞軸A(23)之震盪式旋轉 運動（22)加到圓柱桿（21)上使該樣品受到剪切作用。這 會使晶體熔化並使該膠體與各六方密塡晶格層對齊。 然後，藉由依震盪方式（24)使該圓柱桿（21)沿X-軸平 移以便連續施加繞軸A(23)之震盪式旋轉運動（22)令該樣 品受到複合式剪切力的作用，以便結合兩種運動而使連 續剪力加到該晶體上之方向實質旋轉了 +1 20度。取決於 連續剪切之間該剪力的旋轉方向，強迫該膠體形成第一 或第二形式的單一面心立方晶格結構。 藉由利用線性或是圓柱幾何強化複合式剪切技術產生 的單一面心立方晶格結構可作進一步處理以修正該結構 的性質。 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公爱1 " (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 訂i-------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1230211 A7 B7 五、發明說明（13) 在成長製程終了時，可以從該膠態光晶體內去除該分 散劑而留下包括圍繞有由空隙構成之交連基體之膠態球 體的自撐結構。爲了說明目的，空隙一詞並不受限於含 有真空的空腔或空間且包含了含有任何氣體之組合（包 含空氣）的空腔或空間。隨後能以其他材料塡充由空隙 構成之交連基體以修正該膠態光晶體的光學性質。 用來塡充由空隙構成之交連基體的材料代表性者包含 金屬或半導體，例如矽、鍺、或砷化鎵。 可替代地，能夠以例如液晶材料之類的活性材料塡充 因從該膠態光晶體內去除該分散劑而留下空隙之交連基 體。代表性者，可以使用向列液晶材料。利用液晶材料 以取代該膠態光晶體內的分散劑使得該膠態球體與該分 散劑之間的折射指數反差受到控制，因此提供了對該光 晶體之繞射及能帶性質的控制。 在光晶體之折射指數反差可藉由改變液晶材料的溫度 或一橫向光晶體之晶體材料施加一可變電場予以修正。 在低強度照射下，該向列液晶和該膠態球體是呈指數 符合的且該晶體實質上是透明的。若含有該膠態光晶體 之玻璃平板已塗覆有抗反射膜，則穿透該裝置的透射率 可能超過90%。增加該液晶材料的溫度會導致液晶重新 定向而使液晶分子從向列相轉換成各向同性相。這會造 成該液晶材料與該膠態球體之間的折射指數反差增大。 因此該膠態光晶體現在會當作繞射光柵而操作且使穿透 該裝置的透射率降低。若該膠態光晶體上射輻射之波長 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ,ψ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

I I I I I L— I 訂；-------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1230211 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 _ 五、發明說明（14) 會對應到光晶體內能帶縫隙的位置，則會使穿透該裝置 的透射率大幅地降低。 可以藉由直接對整體膠態光晶體加熱而改變該液晶材 料的溫度。可替代地，能夠藉著以高強度脈波進行照射 而產生對該液晶材料的區域性加熱作用。因該膠態光晶 體（該膠態球體及該液晶材料兩者）對該高強度脈波的 吸收而使該液晶材料出現區域性加熱作用。 也可以結合雷射染料以強化此效應並使該膠態光晶體 對特定波長具光敏性。在此情況，雷射染料溶解於液晶 內。若入射光束的波長係落在該染料之吸收能帶內，則 如前所述吸收自該光束的能量會產生區域性加熱作用， 但是現在肇因於雷射染料之吸收截面的增加而使從入射 光束到液晶之能量傳輸顯著地變大。也可以將該染料結 合於該膠態球體內。 也可以使用一種非線性染料，例如一種在其激態與基 態上具有顯著不同之折射指數的染料。這也會在照射下 引致折射指數反差。 第二種用於修正該膠態光晶體之折射指數反差的方 法，亦可橫跨該膠態光晶體內該液晶材料施加可變電 場。於此結構中，包裹該膠態光晶體的玻璃平板塗覆一 層透明的導體，例如錫銦氧化物（ITO)，因此允許跨越該 晶體施加電場。只藉由改變跨越該單元之電壓便能夠改 變該液晶分子的定向，因此改變了其折射指數反差且因 而改變了該膠態光晶體的繞射及透射性質。可以使任何 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4_規格（210 X 297公爱^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

1230211 A7 B7 五、發明說明（ 經繞射光束的透射率或是強度隨著所加電場的函數而改 變 0 (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) 結合有液晶材料的膠態光晶體可應用於保護光電裝置 使之不受高及低功率兩種雷射脈波之影響。可以藉由利 用高強度泵抽光束或加到該液晶上以改變其方向（重新 引導到繞射等級內）的可變電場、或是阻斷低強度探針 光束（是能夠加以調制而承載數位資訊），而以該裝置 當作限制§&、開關、或是定路器。 一種將液晶材料結合於該膠態光晶體的替代方法，係 於初始成長處理期間排除中間分散劑（辛醇）並利用一 種液晶分散劑。於這種配置中，係使具單一化尺寸之聚 合物膠態球體懸浮於一種液晶材料中，而液晶材料具有 能夠於分散劑內產生自發性區域結晶的體積濃度。該結 構通常包括以大於49體積％之體積濃度，懸浮於K1 5向 列液晶內之800奈米的聚甲基甲丙酸酯球體。將膠態懸 浮液放置於兩個玻璃平板之間，且利用前述強化複合式 剪切技術使該樣品接受剪切，而強迫該膠體形成一種單 一面心立方晶格結構。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 一種用來排除該膠態晶體鬆弛爲成雙面心立方晶格結 構之傾向的替代性輔助方法，係修正了其中懸浮有膠態 球體之分散劑的性質。藉由將習知的辛醇分散劑以能夠 進行一種從液相到固相之可控制相變的分散劑予以代 替，而可克服了該膠態晶體鬆弛爲成雙面心立方晶格結 構之傾向。因此，能夠依需要使該分散劑的相從液相改 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 123〇211 A7 B7 i、發明說明（16) 變成固相，使得能夠在晶體成長的適當階段上將晶體固 定於單一面心立方晶格結構內。適合的分散劑包含黏著 劑、聚合物、及樹脂。吾人特別感興趣的是將能夠藉由 曝露在紫外光中而使之熟成的環氧樹脂當作適合的分散 劑。可替代地，也可以使用能夠藉由化學反應、溫度、 或是曝露在輻射中而使之熟成的環氧樹脂。 這種技術可以配合習知的一維剪切對齊製程或是如第 1圖所示的複合式二維剪切對齊製程一起使用。 能夠進行一種從液相到固相之可控制相變的分散劑會 提供一種用來產生大面積強固單一面心立方晶體的便宜 機制。藉由此方法產生的晶體會呈現出經改良的長壽且 該晶體結構基本上是永久性的。此外，此方法適合作大 量生產的應用。 藉由將具單一化尺寸之聚合物膠態球體分散於可以紫 外光硬化的環氧樹脂內而製備了該膠態晶體。通常該膠 體由800奈米聚甲基甲丙酸酯球體，在能夠產生自發性 結晶之體積濃度（實際上大於49體積％ )之所構成的。 將該懸浮液限制於兩側玻璃平板（2,3)之間並施加壓力， 以致各平板之間的空間完全被塡滿。使用1 0微米的間 隔珠（4)以控制各玻璃的間隔。施加受控制的線性一維剪 切或是複合式二維剪切以便使晶體排齊成單一面心立方 晶格結構。 該環氧樹脂的黏稠度會使晶體的鬆驰時間比習知辛醇 分散劑的鬆弛時間更長，且能夠藉由將樣品曝露在紫外 -18 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 I---------:¾

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 !23〇211 ---- 五、發明說明（17) 輻射中使樹脂硬化而維持該單一面心立方晶格結構。在 曝露於紫外輻射之後，該環氧樹脂會在各膠態球體之間 形成強硬的交連基體，而使晶體結構具有強固性且基本 上具有永久性。 此外，該固態交連基體會有利於會呈現出極大完整光 子能帶縫隙之反轉面心立方晶格結構的製造。例如，可 以藉由溶解於適合的溶劑中而去除該聚合物膠態球體。 可以引進例如雷射染料之類非線性材料或是活性材料以 塡充因溶解掉該膠態球體而留下的縫隙。這提供一種於 無法直接藉由習知方法進行製造的材料中產生膠態光晶 體的路徑。 由於由此方法而製造出之膠態晶體具有自撐性質，故 使用固態懸浮介質也能夠修正支持用外部平行板的機械 性質。例如，能夠減小於晶體成長階段中用來保持該膠 質之平行板的厚度。於此例中，該固態分散劑的機械性 質會對該結構的整體強度有貢獻。 可替代地，在引進該膠體之前將可卸除薄膜施加到兩 個平行板或是其中之一的內部表面上。在已成長之晶體 且該分散劑已固化之後，可以去除平行板以露出具強固 性之層疊膠態光晶體膜。該膜或薄膜可能是剛性或是有 彈性的，而允許吾人將該層疊膠態光晶體膜加到第二表 面上並使之順從該表面（使該已固化懸浮媒體呈現出適 合的機械性質）。於另一種結構中，在該懸浮介質已固 化之後，能夠完全地去除平行板。以可以藉由將脫模劑 -19- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁)

訂：-------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 !23〇211 A7 B7 i、發明說明（3 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 直接加到兩個平行板或是其中之一的內部表面上而容易 實行。不過，由於已不用了各外部平行板’故這種方法 需要由該懸浮介質提供用於該結構的所有強度° 注意到以大規模製造膠態光晶體的潛在需求’而於第 7圖中顯示了 一種適合工業製造方法之實例的示意圖。 第7圖中係藉由使該膠體於滾筒（30,31)之間接受剪切作 用而保持該複合式二維剪切方法。於此實例中，係將該 膠體（1)塞入兩個可撓薄膜（3 2,33)之間並在各滾筒（30,31) 之間施加複合式剪切，使各滾筒相互作平移（33)。加到 各滾筒（30,31)上的平行（3 3)實質上是垂直於允許該膠體 進入各滾筒的方向。可撓薄膜可以提供於各轉筒（34,35) 上以利於該膠態光晶體膜（37)的連續製造。當該膠態晶 體從各滾筒冒出時藉由前述的任意一種機制使該分散劑 固化。例如，當該分散劑是一種可由紫外線熟成之環氧 樹脂時，可以使用一種紫外線射源（36)。 於一種替代配置中，可以提供分開的剪切及滾動機制 以便分別施加平移並在製程中饋入該膠體。可以將該剪 切機制建造成非旋轉性組件。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 前述討論中的各實例已將注意力集中於結合有具單一 化尺寸之聚合物膠態球體的膠態光晶體上。不過，可以 用於膠態球體的替代材料包含非線性光學材料、磁性材 料、金屬、半導體、已攙雜的玻璃（例如利用一種活性 染料攙雜物）、已攙雜的聚合物（例如利用一種活性染 料攙雜物）、及矽石。 -20- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1230211 A7 _B7 五、發明說明（19) 另外，可以在不需要使分散劑從液相改變爲固相之相 變下，利用複合式二維剪切製程，製造出實質上具永久 性之膠態光晶體以及反轉的面心立方晶格結構。 例如，利用具單一化尺寸之矽石膠態球體，使吾人能 夠在晶體成長的適當階段上，將該膠態光晶體固定成爲 單一面心立方晶格結構。該膠態晶體係藉由將具單一化 尺寸之矽石膠態球體散佈於能夠在成長了該膠態光晶體 之去除的分散劑內而製備的。通常該膠體係由以能夠產 生自發性結晶作用之體積濃度（實際上大於49體積％ ) 懸浮於辛醇內之矽石球體構成的。將該懸浮液限制於兩 側玻璃平板（2,3)之間並施加壓力以致各平板之間的空間 完全被塡滿。使用間隔珠以控制各玻璃的間隔。施加複 合式二維剪切以便使晶體對齊成爲單一面心立方晶格結 構。 在成長製程的終了時，該分散劑從該膠態晶體結構內 去除並對該矽石膠態球體施行燒結（加熱）使得各球體 熔接在一起。在對該矽石球體施行燒結之後，形成圍繞 有由空隙構成之交連基體之膠態球體的自撐結構。隨後 能以其他材料塡充由空隙構成之交連基體以修正該膠態 光晶體的光學性質。用來塡充由空隙構成之交連基體的 材料可能是任何一種高指數材料、金屬、半導體、或活 性材料。隨後可以藉由例如蝕刻作用而去除該矽石球體 以形成呈現出比習知結構更寬之光子能帶縫隙之反轉面 心立方晶格結構。 -21- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -------^—訂 !23〇211 A7 B7 1、發明說明（2Q) 於上述用於製造出基本上具永久性之膠態光晶體以及 反轉的面心立方晶格結構的製程中，該矽石球體可以替 代材料代替。例如聚合物球體可熔接在一起而具有類似 功效。如同先前，能以其他材料塡充由空隙構成之交連 基體，隨後可以去除該聚合物球體以形成反轉的面心立 方晶格結構。 可以藉由激勵在控制下成長多數大面積膠態晶體領域 而達成其他有趣的光學效應。可以剪裁相鄰的晶體領域 以呈現出不同的光學特徵。 保留了該複合式二維剪切製程並起紋該平行表面中至 少一個的內面以提高多重晶體領域的成長作用。起紋表 面可能會呈現出一種特定圖形以便將該晶體領域的成長 控制於一種較佳結構內。可以藉由包含鈾刻及凸印的任 意一種適合的方法將紋路或圖形加到該平行板上。 可以應用此中所說明用來製造具單一面心立方晶格之 膠態光晶體的方法以製造出包含光學濾光片及限制器的 各種光學裝置。該具單一面心立方晶格之膠態光晶體的 反射性質也提供了開發光學裝置的其他機會。 符號說明 1…膠態球體 2、3…玻璃平板 4…間隔珠 5…震盪式線性橫向位移 6…複合剪切 -22- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -Ψ (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂-·-------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1230211 A7 _B7 五、發明說明（21) 10…樣品晶體 1 1…雷射光束 12…繞射光點 1 3…入射光束 20···圓柱板 2 1…圓柱桿 22…震盪式旋轉運動 23…軸 24…震盪方式 30、31…滾筒 32、33…彈性薄膜 34、35···轉筒 36…紫外線射源 37…膠態光晶體薄膜 -----------------^—訂 h-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -23- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1230211 L，..〜一 ··〜..—τ .、一、 ] PI" ? 3 \ ^ i六、申請專利範圍 k :/ γ ί 第8 9 1 2 3 0 8 6號「膠態光晶體」專利案 (91年9月修正） 六申請專利範圍= 1. 一種用來成長膠態光晶體之方法，該膠態光晶體會 呈現出單一面心立方晶格結構，該方法包括下列步 驟： i .製備單一化尺寸之聚合物膠態球體（1 )的懸浮液 ，其體積濕度爲能夠於適當分散劑內產生自發性區 域結晶； i i .將該膠態懸浮液塞入兩個實質上呈平行之表面 (2，3 )間的縫隙之內； i i i .使各表面接受平行於它們表面的相對震盪運 動（5 );以及 i v .使各表面接受一系列對於彼此的小線性位移， 各位移都是平行於它們的表面且是二維的，包括的 順序有：對其中一個表面施行相對於另一個表面的 線性位移，對施加到該表面之線性位移方向的定常 方向，旋轉實質上1 20度又施加另一個線性位移到 該表面上，重複該順序直到已將該膠態光晶體純化 成單一面心立方晶格結構。 2·如申請專利範圍第1項之用來成長膠態光晶體之方 法’其中該分散劑能夠從液相改變成固相以固定該 膠結晶結構。 1230211 六、申請專利範圍 3· —種用來成長膠態光晶體之方法，該膠態光晶體會 呈現出單一面心立方晶格結構，該方法包括下列步 驟： i ·製備單一化尺寸之聚合物膠態球體（丨）的懸浮液 ’其體積濃度爲能夠於適當分散劑內產生自發性區 域結晶，分散劑能夠從液相改變成固相以固定該膠 態結晶； i i ·將該膠態懸浮液塞入兩個實質上呈平行之表面 (2, 3)間的縫隙之內；以及 iii·使各表面接受平行於它們表面的相對震盪運 動（5) 〇 4_如申請專利範圍第1至3項中任一項之用來成長膠 態光晶體之方法，其中施加至各表面上的小線性位 移其量値是實質上等於該膠態球體之直徑與該晶體 內之結晶層數目的乘積。 5·如申請專利範圍第1至3項中任一項之用來成長膠 態光晶體之方法，其中各表面係依等腰三角形的方 式相對地作位移。 6·如申請專利範圍第1至3項中任一項之用來成長膠 態光晶體之方法，其中該具單一化尺寸之聚合物膠 態球體的最小體積部分爲〇 . 49。 7.如申請專利範_第1至3項中任一項之用來成長膠 態光晶體之方法，其中該具單一化尺寸之聚合物膠 1230211 六、申請專利範圍 態球體的半徑在從0 . 〇 1微米到i 00微米的範圍內。 8.如申請專利範圍第1至3項中任一項之用來成長膠 態光晶體之方法，其中該具單一化尺寸之聚合物膠 態球體的半徑在從〇 . 〇5微米到1 〇微米的範圍內。 9·如申請專利範圍第1至3項中任一項之用來成長膠 態光晶體之方法，其中用作該膠態球體之材料至少 爲聚合物、非線性材料、磁性材料、金屬、半導體 '攙雜有活性染料的玻璃、攙雜有活性染料的聚合 物、及矽石之一。 10·如申請專利範圍第9項之用來成長膠態光晶體之方 法，其中該膠態球體是聚甲基甲丙酸酯。 11·如串請專利範圍第1項之用來成長膠態光晶體之方 法’其中用作該分散劑的材料至少是黏著劑、聚合 物、樹脂、非線性光學材料、活性光學材料、及辛 醇之一。 12·如申請專利範圍第n項之用來成長膠態光晶體之方 法’其中用於該分散材料的活性光學材料是一種液 晶材料。 13·如申請專利範圍第1項之用來成長膠態光晶體之方 法’其中該分散劑隨後從該膠態光晶體內去除而留 下包括圍繞有由空隙構成之交連基體之膠態球體的 結構。 14.如申請專利範圍第π項之用來成長膠態光晶體之方 1230211 六、申請專利範圍 法’其中又包括隨後將一種替代材料引進圍繞各膠 態球體之由空隙構成的交連基體之內的步驟。 15.如申請專利範圍第1 4項之用來成長膠態光晶體之方 法，其中該替代材料至少是金屬、半導體、非線性 光學材料、及活性光材料之一。 16·如申請專利範圍第1 5項之用來成長膠態光晶體之方 法’其中該替代活性光學材料是一種液晶材料。 17·如申請專利範圍第1 5項之用來成長膠態光晶體之方 法’其中又包括隨後從該替代材料去除該膠態球體 的步驟。 18·如申請專利範圍第1 2項之用來成長膠態光晶體之方 法’其中又包括在該膠態光晶體上加入用於將電場 施加到該液晶材料上之機制的步驟。 19. 如申請專利範圍第1 6項之用來成長膠態光晶體之方 法，其中又包括在該膠態光晶體上加入用於將電場 施加到該液晶材料上之機制的步驟。 20. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之用來成長膠 態光晶體之方法，其中用作該分散劑的材料至少是 黏著劑、聚合物、及樹脂之一。 21. 如申請專利範圍第20項之用來成長膠態光晶體之方 法，其中該分散劑是環氧樹脂，且又包括對該樹脂 進行熟成以便在各膠態球體之間形成固態交連基體 的後續步驟。 1230211 六、申請專利範圍 22.如申請專利範圍第2 1項之用來成長膠態光晶體之方 法’其中該熟成製程至少包含曝露於電磁輻射、曝 露於紫外線輻射、化學反應、及增溫之一。 23·如申請專利範圍第1至3項中任一項之用來成長膠 態光晶體之方法，其中至少該實質上呈平行的表面 (2, 3)之一包括一實質上可撓的薄膜。 24·如申請專利範圍第1至3項中任一項之用來成長膠 態光晶體之方法，其中藉由滾動機制（30,31)將一系 列小的線性位移（6 )施加到平行表面上以產生整體膠 態光晶體膜（37)。 25.如申請專利範圍第23項之用來成長膠態光晶體之方 法’其中藉由滾動機制（30，3 1 )將一系列小的線性位 移（6 )施加到平行表面上以產生整體膠態光晶體膜 (37)。 26如申請專利範圍第1至3項中任一項之用來成長膠 態光晶體之方法，其中又包括在引進該膠態懸浮液 之前將可卸除薄膜施加到該平行表面中至少一個的 內面上的中間步驟。 27. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之用來成長膠 態光晶體之方法，其中該平行表面中至少一個的內 面予以起紋以便提高多重晶體領域的成長。 28. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之用來成長膠 態光晶體之方法，其中該分散劑的折射指數實質上 1230211 六、申請專利範圍 與該膠態球體的折射指數不相同。 29.如申請專利範圍第28項之用來成長膠態光晶體之方 法’其中在該膠態球體與該分散劑之間的折射指數 比大於2的。 3〇·如申請專利範圍第1至3項中任一項之用來成長膠 態光晶體之方法，其中又包括從該已固化的分散劑 去除該膠態球體的後續步驟。 31.如申請專利範圍第30項之用來成長膠態光晶體之方 法，其中又包括將替代材料引進因從該已固化的分 散劑之空隙內的後續步驟。 32如申請專利範圍第3 1項之用來成長膠態光晶體之方 法，其中該替代材料是非線性光學材料、活性光學 材料、或是雷射染料中至少一種。 33如申請專利範圍第1至3項中任一項之用來成長膠 態光晶體之方法，其中兩個表面爲同心的圓柱體。 34— 種單一面心立方晶格結構之膠態光晶體，其係藉 由申請專利範圍第1至3 3項中任一項之方法製造出 者。 35— 種光學凹槽濾光片，是含有申請專利範圍第34項 之膠態光晶體，其中該膠態球體的半徑以及該分散 劑的折射指數被選擇以結合反射至少一個特定波長 並透射其他波長。 36— 種光學裝置，其含有申請專利範圍第34項之膠態 1230211 六、申請專利範圍 光晶體，又包括： 液晶材料；以及 用於將電場施加到該液晶材料上的機制， 其中將可變電壓施加在該液晶材料上以改變該液 晶材料與該膠態球體之間的折射指數反差。