專利名稱：膠體光子晶體的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及膠體光子晶體，涉及生長堅固的大面積晶體以及利用這種晶體生產(chǎn)的器件。
為了本專利的目的，將光子晶體定義為一種物體，其光學性質(zhì)具有空間周期性。
眾所周知，能夠使膠體懸浮液在一定條件下結晶從而產(chǎn)生膠體晶體，該膠體晶體顯示出受人關注的光學特性。
由于晶體結構在光波長尺度上是周期性的事實，這種膠體光子晶體可以改變和調(diào)整光的傳播，因此膠體光子晶體得以應用于各種不同的光學器件上，包括光濾波器和限制器，可以控制膠體光子晶體的反射特性，從而提供了許多開發(fā)光學器件的機會。
但是此類晶體的塊體樣品通常為多晶體，并且包含有大小為100微米數(shù)量級的數(shù)百個晶體，它們隨機取向，這些晶體也可以有不同的晶體結構，包括面心立方(fcc)，六角密堆積(hcp)，和隨機密堆積(rcp)。在晶體內(nèi)部的這些和其它的不完美性損害了晶體的光學性質(zhì)，致使晶體不適于作為材料使用。
P.N.Pusey和B.Ackerson，專利GB 2 260 714，提出一個生長膠體光子晶體的改進方法，通過使晶體融化(melt)并使之排列成擇優(yōu)結構，該改進方法降低了晶體中的不完美性。具體而言該方法涉及到含尺度單一化的聚合物膠體球的懸浮液，并且包括通過施加直線剪切力使膠體排列成面心立方的晶體結構，該直線剪切力通常是通過在液體中產(chǎn)生誘導流來產(chǎn)生的。由這種方法所形成的晶體基本上是完美的面心立方結構。該方法可以生長面積超過1cm2的單晶。
在生長結束時，經(jīng)過施加足夠的剪切力，在基本形成單晶體結構之后，可將該結構密封，保留載液，或者將某種形式的凝膠劑加入載液中以改善結構的穩(wěn)定性，也可以讓載液蒸發(fā)留下由膠體粒子自支撐的結構。
剪切作用產(chǎn)生二種類型的單面心立方結構，一種產(chǎn)生于前向剪切，另一種產(chǎn)生于相反的剪切。當剪切作用停止時，膠體松弛成一個孿生面心立方結構。在排列成孿晶的情況下，二種形式的面心立方晶體結構在晶體內(nèi)共存，一個位于另一個的頂部。
孿生面心立方結構顯示出有用的光學特征，而單面心立方排列更使晶體的光學特性比前者得到改善。例如，單面心立方結構顯示出良好的光子能帶帶隙的特性，可以優(yōu)選成反射大范圍入射角和偏振角的輻射(對限制在一定波長范圍的入射光)，例如Yablonovitch等“三維光子能帶結構”，[Yabolovitch E.，Gmitter，T.J.，Leung，K.M.，Meada，R.D.，Rappe，A.M.，Brommer K.D.，oannopoulos J.D.，三維光子能帶結構，Three dimensional Photonic bandstructure，Opt&Qu.Elect.24.S.273 1992]，及其所附列的文獻。因此單面心立方結構對高質(zhì)量光學器件提供了較大的開發(fā)潛力。但單面心立方結構的晶體不能采取上述的線性剪切方法來制造，因為晶體有松弛成孿生面心立方結構的傾向。
現(xiàn)有膠體光子晶體更多的局限性涉及晶體的物理特性，現(xiàn)有的膠體光子晶體相當脆，并且缺乏穩(wěn)定性，很大程度上，由于結晶層只存在于二剛性平行平板之間。按照這種結構，封裝可能不嚴密使得不需要的載液蒸發(fā)從而導致晶體結構的退化。此外，晶體的物理尺度仍然相當小，妨礙了膠體光子晶體在光學領域中的廣泛應用。
本發(fā)明的目的是提供一種用于生產(chǎn)堅固的大面積的膠體光子晶體的改進方法。
按照本發(fā)明，生長一個基本上完美的，顯示有單面心立方結構的膠體光子晶體的方法包括以下步驟配制具有尺度單一化的膠體球狀顆粒，具有一定體濃度的懸浮液，使膠體球在適合的彌散介質(zhì)中自發(fā)局部結晶，將凝膠懸浮液引入到二塊基本上是平行的板表面之間的空隙中，使板面在相互平行的情況下作相對振動，和使板面相互間作一系列微小的相對線性位移，位移平行于他們的表面，并且是二維的，這包括一個表面相對于另一個表面作前后相繼的線性位移，將向表面施加線性位移的方向基本上旋轉(zhuǎn)120°的角度，沿著單一的恒定方向，并繼續(xù)向表面施加線性位移，重復連續(xù)的動作，直到膠體光子晶體純化成單一的面心立方結構。
為了固定膠體結晶結構，彌散介質(zhì)最好是一個能夠從液相變成固相的介質(zhì)。
旋轉(zhuǎn)方向可以是順時針方向，也可以是逆時針方向。
在另一個布置中生長基本完美并且顯示有單面心結構的膠體光子晶體所包括的步驟有配制具有尺度單一的球狀膠體顆粒的懸浮液，該懸浮液具有產(chǎn)生自發(fā)局部結晶的體濃度，在彌散介質(zhì)中可以從液相變到固相，以固定膠體結晶結構。
將膠體懸浮液引縟到二表面基本平行的平板間的空隙中，以及使平板相對平行于他們表面作相對振動。
特別是，施加到表面上的微小線性位移幅度，基本上要等于膠體球狀顆粒的直徑和晶體中結晶層數(shù)的乘積。
在一個優(yōu)選的布置中，表面位移被相互布置成一個等邊三角形。
單一尺度化的膠體球的最小體積比以0.49為最佳，比較好的情況下，單一尺度膠體球的半徑處于0.05μm到10μm的范圍。
膠體球可以至少包含所列出的材料之一粘合劑、聚合物、非線性材料、磁性材料、金屬、半導體、摻有活性染料的玻璃、摻有活性染料的聚合物、硅。特殊情況下，膠體球可以是有機玻璃。
用作彌散介質(zhì)的材料最好是所列舉材料之一。聚合物、樹脂、非線性光學材料、活性光學材料、辛醇。
在一個優(yōu)選的實施方案中，用作彌散介質(zhì)的活性光學材料為液晶材料。
在一個布置中，彌散材料隨后被從膠體光子晶體中除去，留下一個包含由相互連接的空隙基體包圍著的膠體球的結構。隨后可將替代的材料引進到圍繞著膠體球的相互連接的空隙基體中。替代的材料至少是金屬、半導體、非線性光學材料、活性光學材料中的一個。
在一個優(yōu)選實施方案中，膠體球隨后可被替代材料從襯底清除從而產(chǎn)生一個反單面心立方結構。
另一個優(yōu)選實施方案中，用作替代材料的活性光學材料是液晶材料。
彌散介質(zhì)或替代材料是液晶，用于給液晶材料施加電場的裝置也可以添加在膠體光子晶體中加到液晶材料上的電場可以被加到膠體光子晶體。
在一個優(yōu)選實施方案中，彌散介質(zhì)是環(huán)氧樹脂。生長基本完美并顯示有單面心立方結構的方法，還包括固化樹脂使在膠體球之間形成固態(tài)的相互連接基體的后續(xù)步驟。
固化工藝最好至少包括在一種以下列舉的環(huán)境中暴露電磁輻射、紫外輻射、化學反應、上升溫度。
至少基本平行的表面中的一個至少至少包括一個基本尚柔性的隔膜。
在一個優(yōu)選實施方案中，塊體膠體光子晶體膜可通過滾動裝置把線性位移加到平行的表面來制取。
在另一個優(yōu)選的實施方案中，制造方法還包括一個中間步驟，其中在引入膠體懸浮液之前，將一個可拆卸隔膜裝到平行表面中一個的內(nèi)側面。
在平行表面中的至少一個內(nèi)表面織構化以促使多重晶疇的生長。
彌散介質(zhì)的折射率基本上不同于膠體球的折射率，再有，膠體球和彌散介質(zhì)之間折射率的比可大于2。
在一個優(yōu)選的布置中，該方法還包括后續(xù)步驟，即從固化彌散介質(zhì)中去除掉膠體球以產(chǎn)生反單面心立方結構。
在另一個優(yōu)選的布置中，該方法還包括一個后續(xù)步驟，即通過去除膠體球?qū)⑻娲牧弦朐诠袒瘡浬⒉牧袭a(chǎn)生的空洞(隙)中，由此而產(chǎn)生被替代的單面心立方結構，替代材料可以是非線性光學材料，活性光學材料或者是激光器染料。
在一個優(yōu)選的布置中，用于保持膠體懸浮液的二個表面可以是同心圓柱面。
在本發(fā)明的第二部分提供根據(jù)上述方法生長的膠體晶體。
在一個優(yōu)選的布置中，膠體晶體形成光學陷波濾波器，其中選擇膠體球半徑和彌散介質(zhì)的折射率相互配合以反射至少一個特定的波長而透過其他所有的波長。
在另一個優(yōu)選的布置中，將膠體晶體結合到光學器件中，該器件還包括液晶材料，和對液晶材料外加電場的裝置，其中液晶材料可施加可變電壓，以改變液晶材料和膠體球之間的折射率的反差。
現(xiàn)參照附圖，僅按所舉實例對本發(fā)明進行描述

圖1表明加線性剪切力到含有尺度單一化的聚合物膠體球的懸浮液生長膠體光子晶體的常規(guī)方法。
圖2表示用于表征膠體光子晶體結構的布置圖。
圖3大致示出在生長過程中產(chǎn)生的三個不同的衍射花樣。特別是圖3a和圖3b表明分別由二種形式的單面心立方結構所產(chǎn)生的衍射花樣。而圖3c則表示孿生面心立方結構在起始生長階段所形成的衍射花樣。
圖4示出在生長過程中產(chǎn)生的不同的結晶結構的衍射的輻射強度與入射角(θ)的關系曲線。
圖5a示出將復合二維剪切作用加到膠體晶體來改善產(chǎn)生膠體光子晶體上的方法。
圖5b示出將復合二維剪切作用加到在圓柱形幾何體內(nèi)的膠體晶體上來改善產(chǎn)生膠體光子晶體。
圖6a表明復合剪切過程中的迭代步驟和向晶體施加連續(xù)的剪切作用的晶體方向。
圖6b表明復合剪切作用為一個等邊三角形的一個情況。
圖7大致示出用復合二維剪切方法，大規(guī)模生產(chǎn)單面心立方膠體光子晶體的技術。
參照圖1，常規(guī)的生長膠體晶體的方法是采用置于二玻璃片之間(2，3)并且單一尺度的聚合物膠體球的懸浮液(1)。通常情況下，膠體包含有大小為800nm的有機玻璃球，浮懸在辛醇中，具有可自發(fā)結晶的體濃度(實際上，大于49％的體積)。二玻璃片(2，3)經(jīng)清潔處理，10微米大小的隔離珠(4)分布在其中的一個玻璃片上。膠體懸浮液(1)被置于一個玻璃片上，另一片放在它的上面，并進行加壓，使二玻璃片間的空間完全被充滿。此時，樣品是包含隨機取向小晶粒的多晶。
現(xiàn)在相對位于較低的玻璃片(3)頂?shù)牟Ａ?2)施加振動的線性橫向位移(5)，圖上標為x方向，其振幅約為二玻璃片(2)和(3)之間間隙的10倍。這樣就融化了晶體并使膠體排列成六角密堆積層。
然后，由振幅較小的線性振動使樣品受切向作用，迫使膠體成為面心立方結構。振動振幅通常等于膠體球的直徑和晶體中結晶層數(shù)的乘積。重要的是向前的剪切行程(stroke)產(chǎn)生一個面心立方結構，向后的行程傾向于產(chǎn)生另一個面心立方結構。如果剪切作用停止，膠體松弛成孿生面心立方結構，二種面心立方結構共同存在，一個結構疊在另一個結構之上。
參照圖2，膠體晶體的光學性質(zhì)與晶體的結構有關，這種現(xiàn)象可用來表征生長好的膠體晶體的結構，用激光束(11)照射樣品晶體(10)，測出不同入射角衍射斑的強度(12)，強度與入射角θ成函數(shù)關系(13)。在剪切作用期間，二種單面心立方結構中的每一種產(chǎn)生不同的衍射花樣。
在向前的剪切行程上，第一個單面心立方結構產(chǎn)生一個衍射花樣，圖3a所示，它包含相隔120度的三個布拉格衍射斑。在相反的剪切行程上，第二個單面心立方結構產(chǎn)生一個不同衍射花樣，也是由間隔120度的三個布拉格衍射斑組成，見圖3b。一旦線性剪切力去除，膠體松弛成孿生面心立方結構，可以看到所有的六個布拉格衍射斑，如圖3c。
參照圖4，布拉格衍射光的強度與入射角θ的關系表明在加剪切作用的過程中所產(chǎn)生的各種結晶結構的空間分布和強度。衍射光的強度和空間分布在確定結晶體結構時是重要的參量，并對任何采用膠體光子晶體所開發(fā)的光學器件的性能有重要的影響。圖4a表明加剪切力到樣品上之前由隨機密堆積結構所作的響應。圖4b表明六角密堆積的響應。圖4c和4d表示分別由二單面心立方結構所產(chǎn)生的強度與入射角的關系曲線。
如圖5a和5b所示，可采用增強擴大剪切作用方法來消除膠體晶體松弛成孿生面心立方結構的傾向。
參照圖5a，增強的產(chǎn)生單面心立方晶體的方法采用放置在二玻璃片(2，3)之間的包含尺度單一化的膠體球(1)的懸浮液，膠體包含浮懸于辛醇中800nm的有機玻璃球，其體積濃度足于進行自發(fā)結晶(大于49％的體積)。對二玻璃片(2，3)作清潔處理，10微米大小的間隔珠(4)分布在二玻璃片之一，膠體的懸浮液置于一個玻璃片上，再把另一個片疊上去，進行加壓，使二玻璃片間的空間完全充滿，從而獲得包含隨機取向小晶體的多晶樣品。
現(xiàn)在，通過相對于較低的玻璃片(3)對玻璃頂面(2)施加振動的線性橫向位移(5)，使樣品受到剪切作用，線性橫向振動被限制在單一方向，圖5中標為x方向。線性橫向振動的振幅通常是玻璃片(2)和(3)之間的間距的10倍，這使晶體融化從而使膠體形成為六角密堆積層。
然后，通過按順序?qū)⒁唤M剪切力施加到樣品上，使樣品受復合剪切作用(6)，這組按順序的剪切力使上面的玻璃片(2)相對于下面的玻璃片(3)作一系列二維線性位移。樣品內(nèi)的結晶層經(jīng)受具有x，y二個方向的分量的剪切力，迫使膠體形成單面心立方結構，并確保單面心立方結構優(yōu)先保持于孿生面心立方結構中。
圖6a示出了復合剪切過程，具體而言該復合過程包括在襯底平面上，連續(xù)施加剪切力之間，以基本上成+120度(角φ)，旋轉(zhuǎn)對晶體施加剪切力的方向。這就產(chǎn)生了單面心立方結晶結構的第一種形式。
另外一種情況，在襯底平面上，連續(xù)施加剪切力之間，以基本上成-120度(角φ)，旋轉(zhuǎn)對晶體施加剪切力的方向。這就產(chǎn)生了單面心立方結晶結構的第一種形式。這在晶體中，產(chǎn)生了相反形式的單面心立方結構。
雖然存在一個閾值，超過閾值，晶體結構融化，膠體重新排列成六角密堆積層，但是連續(xù)線性位移量并不一定相等。每一個線性位移通常等于膠體球的直徑和晶體內(nèi)結晶層數(shù)的乘積。該過程不斷重復直到所有結晶層受剪切力的作用而成為單面心立方結構。通過利用激光束照射樣品，并測出對應于不同入射角度的布拉格衍射斑點的強度，就可以確定結晶結構(參照圖2)。
通常情況下，復合剪切力作用的過程中，由頂部玻璃片(2)所述路徑為圖6b所示的等邊三角形。
圓柱形幾何形狀同樣可用來實現(xiàn)復合二維剪切作用，如圖5b所示，參照圖5b，單一尺度化的聚合物膠體球(1)的懸浮液放置于圓柱形板(20)和圓軸(21)之間，圓柱板和圓軸保持同心。樣品受到通過施加在圓軸面(21)上的繞軸A(23)的振動旋轉(zhuǎn)運動(22)所產(chǎn)生的剪切力的作用。這使得晶體融化并使膠體排列成六角密堆積層。
然后，樣品受到，通過沿著x軸以振動方式平移，以及繞軸A(23)作振動旋轉(zhuǎn)運動(22)的復合二維剪切力作用，二運動合并造成此方向旋轉(zhuǎn)，沿著該方向連續(xù)剪切力基本上以120度角作用到晶體上。膠體被迫形成第一個或第二種形式的單面心立方晶體，這依賴于前后二個剪切作用之間的剪切力旋轉(zhuǎn)方向。
用線性或圓柱幾何體，可以進一步處理通過加強復合剪切作用法產(chǎn)生的單面心立方結晶結構以改變結構特性。
在生長過程最后，可以從膠體晶體結構中去除彌散介質(zhì)，留下周圍由相互連接的空洞基體所圍繞的膠體球的自支撐結構。出于此具體目的，空洞的含義不應僅限于真空空腔或空隙，而應包括任何氣體組成的空腔或空隙，包括含有空氣。這種相互連接空洞基體可被填入其他材料從而改變光子膠體晶體的光學特性。
用于填充相互連接的空洞基體的材料通常包括金屬和半導體，例如，硅、鍺、砷化鎵等。
另外一種情況，通過從光子晶體中除去彌散介質(zhì)所產(chǎn)生的相互連接的空洞基體，可以用活性材料填充這些空洞基體，如液晶材料。通常使用向列型液晶材料。用于光子膠體晶體中利用液晶材料取代彌散介質(zhì)可控制膠體球和彌散介質(zhì)之間折射率反差，由此提供對光子晶體的衍射特性和能帶間隙特性的控制。
光子晶體中的折射率反差可以通過改變液體材料的溫度而發(fā)生改變，或者通過對光子晶體中的液晶材料施加一個可變電場。
在低強度照射下，列向型液晶和膠體球晶體指數(shù)是匹配的，而且晶體基本上是透明的，如果玻璃片含有膠體光子晶體，并且玻璃片涂有抗反射隔膜，那么器件的透過率可超過90％。提高液晶材料的溫度導致液晶的重新取向，液晶分子從向列相改變到各向同性相，結果使液晶材料和膠體球之間的折射率反差增加。因此，膠體光子晶體這時起到一個衍射光柵的作用，器件的透過率降低。如果入射到膠體光子晶體的輻射波長對應于光子晶體的能帶間，那么器件的透過率大為降低。
液晶材料的溫度可以通過直接加熱塊體膠體光子晶體來改變。另外一種情況，可采用高強度脈沖照射局部加熱液晶材料。膠體光子晶體吸收高強度脈沖(膠體球和液晶材料)使液晶材料局部加熱。
也可以結合激光染料實現(xiàn)增大這種效果并使光子晶體對特定的波長敏感。這種情況下，激光染料溶入液晶。一束入射光，其波長處于染料晶體的吸收頻段，晶體便從光束中吸收能量引起如前所述的局部加熱，然而，由于激光染料的吸收截面的增大，所以從入射光束向晶體轉(zhuǎn)移的能量也顯著提高。染料也可摻合到膠體球內(nèi)。
也可用非線性染料，例如某一染料其激發(fā)態(tài)的折射率明顯地不同于基態(tài)。在光照條件下會感應產(chǎn)生折射率反差。
改變膠體光子晶體中折射率反差的第二種方法是將一個可變電場加到膠體光子晶體中的液晶材料上。在這種布置中，包含膠體光子晶體的玻璃片涂有一個層透明的導體。例如銦錫氧化物(ITO)，因此可將電場加到晶體。液晶分子的取向簡單地隨施加在液晶盒合上電場的改變而改變，由此改變折射率反差并由此而改變膠體光子晶體的衍射和透射特性。任何衍射光束的透過率或強度可作為函數(shù)隨外加電場變化。
摻有液晶材料的膠體光子晶體可以用來保護電光學器件免遭高低功率激光脈沖的影響。這種器件也可作限制器、開關或路由器，通過將一個高強度的泵浦束或可變電場加到液晶上來改變方向(重新定向到一個衍射級)或阻擋一個低強度探測試樣束，該試樣束被調(diào)制以載送數(shù)字信息。
另外一種將液晶材料摻到膠體光子晶體中的方法可以消除中間彌散介質(zhì)(辛醇)并在初始生長過程中使用液晶彌散介質(zhì)。
在這種布置中，尺度單一的膠體球浮懸于液晶材料中，其體積濃度可產(chǎn)生自發(fā)結晶。這種配置的主要成份是浮懸在K15向列液晶中的體積濃度大于49％。的800nm的有機玻璃小球。膠體懸浮液被置于二玻璃片之間樣品受前到前述的增強復合剪切技術的剪切作用，被迫形成單面心立方結構。
一種消除膠體晶體松弛形成孿生面心立方結構傾向的替代和補充方法是改變其中浮懸有膠體球的彌散介質(zhì)的特性。通過用能夠進行從液相到固相的可控相變的彌散介質(zhì)代換傳統(tǒng)的辛醇，可以消除晶體松弛形成孿生面心立方結構的傾向。因此，根據(jù)需要，彌散介質(zhì)的相能夠從液相變到固相，使晶體在適當?shù)纳L階段固定為單面心立方結構。合適的彌散介質(zhì)有粘合劑、聚合物、樹脂。能夠在紫外光照射下固化的環(huán)氧樹脂作為合適的彌散介質(zhì)特別受人重視。另外一種情況，可以采用通過化學反應、溫度和輻射固化的環(huán)氧樹脂。
該技術可以與常規(guī)的一維剪切作用對準方法或與復合二維剪切作用對準方法相結合，如圖5a或5b所示。
可經(jīng)受由液相到固相可控相變的彌散介質(zhì)的利用提供了一種生產(chǎn)大面積，堅固的單面心立方晶體的方法，而且價格低廉。采用這種方法制造的晶體顯示出改善的耐久性并且晶體結構也相當穩(wěn)定。這種方法本身可以提供大規(guī)模生產(chǎn)和應用。
膠體晶體通過將尺寸單一化的聚合物膠體球彌散在環(huán)氧樹脂中進行制備，環(huán)氧樹脂通過紫外光曝光進行硬化，膠體基本上是由800nm的有機玻璃所組成，其體積濃度足于產(chǎn)生自發(fā)結晶(大于49％的體積)。懸浮液放置在二玻璃片(2，3)之間，加壓使二玻璃片之間的空間完全充滿。用10微米大小的間隔珠控制玻璃的間隔。受控線性一維剪切作用或復合二維剪切作用力用于將晶體排列使成單面心立方結構。
與常規(guī)的辛醇彌散介質(zhì)相比，環(huán)氧樹脂的粘滯性增加了晶體的松弛時間。因此可以把樣品曝置在紫外光輻照之中，在保持單面心立方結構時固化樹脂。紫外輻射曝光后，在諸球體之間的環(huán)氧樹脂形成強的相互連接的基體使晶體結構牢固并基本上保持恒定。
另外，固態(tài)的相互連接基體有利于生產(chǎn)反面心立方結構，該結構顯示出出現(xiàn)寬的滿光子能帶間隙。例如，聚合物膠體球可以溶解在合適的溶液中加以去除?？杉尤敕蔷€性材料或諸如激光染料之類活性材料以填充因溶去膠體球而留下的空隙。這就提供了一條在不能直接采用常規(guī)方法時生產(chǎn)材料中光子晶體的途徑。
采用固態(tài)懸膠介質(zhì)也可以改變支撐的外平行板的機械性能，因為用這種方法產(chǎn)生的膠體晶體可作自支撐。例如，可以減薄用來在晶體生長相對保持膠體的二平行板的厚度，在這種情況下，固相彌散介質(zhì)的機械性能有助于結構總強度的提高。
另外一種情況，在引入膠體之前可拆除的膜或隔膜可加在一片或二片平行板的內(nèi)表面上。晶體生長完成以及彌散介質(zhì)固化之后，可除去平行板而露出堅固的疊層狀的膠體光子晶體膜。可拆除的膜或隔膜既可以是剛性的也可以是柔性的，允許疊層狀膠體晶體疊置到第二表面，使之適合表面(受到控制的固化的懸浮介質(zhì)顯示出合適的機械性能)，在另一種結構中，懸浮介質(zhì)固化之后，可完全除去平行板。這可以通過將脫模劑直接加在二平行板或其中之一的內(nèi)表面加速進行。但該方法要求懸膠介質(zhì)對結構提供足夠的機械強度，因為完全消除了外平行板。
考慮到生產(chǎn)大尺度的膠體光子晶體的潛在需求，圖7大致示出了一個適合工業(yè)生產(chǎn)要求的實例。保留復合二維剪切作用的方法，而且如圖7所示，通過向二滾軸(30，31)之間的膠體施加剪切作用來實施該方法。在此實例中，將膠體(1)插入二柔性薄膜隔膜(32，33)間，施加復合剪切作用于二滾軸(30，31)間，滾軸相互作相對平移(33)。作用到滾軸(30，31)上的平移運動(33)基本上垂直于膠體進入滾軸的方向。柔性薄膜隔膜由卷筒(34，35)提供，從而有助于膠體光子晶體薄膜(37)的連續(xù)生產(chǎn)。當膠體晶體從滾軸形成就可用已提到過的任何一個方法來固化彌散介質(zhì)。例如，彌散介質(zhì)是一種紫外光固化的環(huán)氧樹脂，可以采用紫外光源(36)。
在另一個布置中，可以提供分離剪切作用和滾軋裝置，分別施加平移運動并通過該過程饋送膠體，產(chǎn)生剪切作用的裝置可設計成非轉(zhuǎn)動機件。
在前面討論過的實例中，集中在配置尺度單一化的聚合物膠體球的膠體光子晶體。但是替換材料可以用于膠體球，包括非線性光學材料、磁性材料、金屬、半導體、摻雜玻璃(例如使用活性染料摻雜質(zhì))，摻雜聚合物(例如使用活性染料摻雜質(zhì))以及二氧化硅。
此外，用復合二維剪切作用工藝而不必改變彌散介質(zhì)從液相到固相的相，可以生產(chǎn)基本上穩(wěn)定的膠體光子晶體和反面心立方結構。
例如，采用尺度單一化的二氧化硅膠體球可使膠體光子晶體在晶體生長的某一合適的階段固定為單面心立方結構，通過將尺度單一的二氧化硅膠體球彌散分布于彌散介質(zhì)中，制備膠體晶體，在膠體晶體生長后可將彌散介質(zhì)除去，通常，膠體由浮懸在辛醇中二氧化硅膠球組成，其體濃度足于產(chǎn)生自發(fā)結晶(大于49％的體積)。懸浮液放置在二玻璃片(2，3)之間，加壓使二板間的空間完全充滿。間隔珠用于控制玻璃的間隔，施加復合二維剪切作用，使晶體使排成單面心立方結構。
在生長過程結束時，將彌散介質(zhì)從膠體晶體中去除，燒結二氧化硅膠球(加熱)，使球融化。燒結后，二氧化硅膠球形成膠體球的自支撐結構，膠體球周圍為相互連接的空洞基體所圍繞。相互連接的空洞基體隨后可以被其他物質(zhì)所填充，以改善膠體光子晶體的光學特性。用于填充空洞的物質(zhì)可以是任何高折射率的材料金屬、半導體或活性材料。隨后可除去二氧化硅膠球，例如用刻蝕，以形成反面心立方結構，這種結構的光子能帶間隙比原先普通常規(guī)的結構顯得更寬。
上述生產(chǎn)基本上穩(wěn)定的膠體光子晶體和反面心立方結構的過程中，二氧化硅膠球可以被不同的材料所替代。例如利用類似的效應使聚合物球融化。如前所述，相互連接的空洞基體可用其他材料填充而聚合物體并且隨后可以除去，從而形成反面心立方結構。
通過發(fā)展受控生長多重大面積膠體晶疇可獲得另外的令人感興趣的光學效應?？梢詫ο噜従М牪眉魪亩蛊浔憩F(xiàn)出不同的光學特性。
仍然保留復合二維剪切作用工藝，將二個平行平面的內(nèi)表面，或是將其中之一的內(nèi)表面織構化，以促使生長多重晶疇?？棙嫽砻鏁曙@出特殊的花樣以控制晶體疇生長成擇優(yōu)的結構。也可以采取任何合適的方法將織構或花樣加到平行板上，該合適的方法包括刻蝕法和浮雕鏤刻法。
這里所描述的生產(chǎn)單面心立方膠體光子晶體的方法可用于生產(chǎn)各種光學器件，包括光濾波器和光限制器，單面心立方膠體光子晶體的反射特性也提供了進一步深入開發(fā)光學器件的機會。
權利要求
1.一種生長基本上完美的并顯示有單面心立方結構的膠體光子晶體的方法，該方法包括以下步驟i.制備含有尺度單一的膠體球(1)的懸浮液，其體積濃度足于在合適的彌散介質(zhì)中產(chǎn)生自發(fā)局部結晶，ii.將膠體懸浮液插入二基本上平行的表面(2，3)之間的空隙中，iii.使表面作平行于它們表面的相對振動((5)和，iv.使表面互相互作一系列小線性位移(6)，位移平行于它們的表面并且是在二維的，包括不斷將線性位移相對于另一個表面施加到其中之一的表面，沿著單一的恒定方向，將向表面施加線性位移的方向基本上旋轉(zhuǎn)120°的角度，并繼續(xù)重復向表面施加線性位移，直到膠體光子晶體被純化成為單面心立方結構。
2.按照權利要求1的方法，其中為了固定膠體的結晶結構，彌散介質(zhì)可以從液相變到固相。
3.一種生長基本完美的并顯示有單面心立方結構的膠體光子晶體的方法，該方法包括以下步驟i.制備尺度單一的膠體球(1)的懸浮液，它具有在彌散介質(zhì)中產(chǎn)生自發(fā)局部結晶的體濃度，為了固定膠體的結晶結構，彌散介質(zhì)可以從液相變到固相，ii.將膠體懸浮液插入在二基本上平行的表面(2，3)之間的空隙中，和iii.使表面平行他們的表面(5)作相對振動，
4.按照任何上述任何權利要求的方法，其中施加到表面的小線性位移的幅度基本上等于膠體球的直徑和晶體中結晶層數(shù)目的乘積。
5.按照權利要求1或2的方法，其中表面相互之間以一個等邊三角形移動。
6.按照任何上述權利要求方法，其中尺度單一的膠體球的最小體積比為0.49。
7.按照上述任何權利要求的方法，其中尺度單一的膠體球的半徑范圍在0.01μm到100μm。
8.按照上述任何權利要求的方法，其中尺度單一的膠體球的半徑范圍在0.05μm到10μm。
9.按照上述任何權利要求的方法，其中用來作為膠體球的材料至少是下列材料之一聚合物、非線性材料、磁性材料、金屬、半導體、摻有活性染料的玻璃、摻活性染料的聚合物、二氧化硅。
10.按照權利要求9的方法，其中膠體球是有機玻璃。
11.按照權利要求1的方法，其中用于彌散介質(zhì)的材料至少是下列材料之一粘合劑、聚合物、樹脂、非線性光學材料、活性光學材料、辛醇。
12.按照權利要求11的方法，其中用于彌散介質(zhì)的活性光學材料為液晶材料。
13.按照權利要求1的方法，其中隨后將彌散材料從膠體光子晶體中除去，留下被相互連接的空洞基體所圍繞的膠體球所組成的結構。
14.按照權利要求13的方法，該方法還包括將替代材料引入圍繞膠體球的相互連接的空洞基體中的后續(xù)步驟。
15.按照權利要求14的方法，其中替代材料至少是下列材料之一金屬、半導體、非線性光學材料，活性光學材料。
16.按照權利要求15的方法，其中替代活性光學材料是液晶材料。
17.按照權利要求15的方法，該方法還包括將膠體球從替代材料中除去的后續(xù)步驟。
18.按照權利要求12或16的方法，該方法還包括步驟，添加到膠體光子晶體的裝置以將電場施加到液晶材料。
19.按照權利要求2-10中任何一項的方法，其中用于彌散介質(zhì)的材料至少是粘合劑、聚合物、樹脂中的一種。
20.按照權利要求1或19的方法，其中彌散介質(zhì)為環(huán)氧樹脂，并且還包括固化樹脂以便在膠體球之間形成固態(tài)的相互連接的空洞基體的后續(xù)步驟。
21.按照權利要求20的方法，其中固化過程至少包括暴露于電磁輻射、紫外輻射、化學反應、升高溫度之一。
22.按照權利要求2或3的方法，其中基本平行表面(2，3)中的至少一個表面包含基本柔性的隔膜。
23.按照權利要2、3或22的方法，其中通過滾動裝置(30，31)施加一系列小線性位移(6)到表面，以產(chǎn)生塊體膠體光子晶體膜(37)。
24.按照權利要求2或3的方法，該方法還包括中間步驟，其中在引入膠體懸浮液之前將可拆卸隔膜施加到至少平行表面中的一個的內(nèi)表面。
25.按照任何上述權利要求中任何一項的方法，其中至少二平行表面之一的內(nèi)表面被織構化，以促使生產(chǎn)多重晶體疇。
26.按照上述權利要求中任何一項的方法，其中彌散介質(zhì)的折射率基本上不同于膠體球的折射率。
27.按照權利要求26的方法，其中膠體球和彌散介質(zhì)之間的折射率比大于2。
28.按照權利要求2或3的方法，該方法還包括從固化的彌散介質(zhì)中除去膠體球的后續(xù)步驟。
29.按照權利要求28的方法，該方法還包括將替代材料引入固化彌散介質(zhì)的空洞中的后續(xù)步驟。
30.按照權利要求29的方法，其中替代材料至少是非線性光學材料，活性光學材料或激光染料中的一種。
31.按照權利要求1、2或3的方法，其中二個表面是同心圓柱面(20，21)。
32.一種由上述權利要求中的任何一項方法所產(chǎn)生的基本完美的，單面心立方結構膠體光子晶體。
33.一種具有按照權利要求32的膠體晶體的光學陷波濾波器，其中選擇膠體球半徑和彌散介質(zhì)的折射率相互配合以反射至少一個特定波長并透過其他波長。
34.按照權利要求32的具有膠體晶體的光學器件，該器件還包括液晶材料，和給液晶材料施加電場的裝置，其中將可變電場加到液晶材料，以改變液晶材料和膠體球之間的折射率反差。
全文摘要
一種生長堅固的大面積的膠體光子晶體的方法以及由此而生產(chǎn)的器件。尺度單一化膠體球(1)的懸浮液受到通過連續(xù)施加剪切力所產(chǎn)生的復合剪切作用(6)。膠體內(nèi)的結晶層受x和y方向的二個剪切力作用,迫使膠體擇優(yōu)形成單面心立方結構,而不形成孿生面心立方結構。該方法包括采用可進行從液相到固相的可控相變的彌散介質(zhì),晶體被固定成為單面心立方結構。
文檔編號G02F1/01GK1387589SQ00815379
公開日2002年12月25日 申請日期2000年9月5日 優(yōu)先權日1999年9月7日
發(fā)明者R·M·阿莫斯, J·G·拉里蒂, P·R·塔普斯特, T·J·舍菲德, S·C·基特森 申請人:秦內(nèi)蒂克有限公司