專利名稱：電沉積制備三維硅光子晶體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三維硅光子晶體的制備方法。
背景技術(shù)：
光子晶體是一種介電常數(shù)在空間上呈周期分布的新型光學(xué)材料。當(dāng)介電常數(shù)的變 化幅度較大且與光的波長相比擬時，介質(zhì)的布拉格散射會產(chǎn)生帶隙，即光子禁帶，相應(yīng)于 此帶隙區(qū)域的那些頻率的光在某些方向上是被嚴格禁止傳播。尤其是電介質(zhì)在空間呈三維 周期分布的光子晶體由于在各個方向都呈現(xiàn)光子帶隙，在光學(xué)、光電子學(xué)和傳感領(lǐng)域的巨 大的潛在應(yīng)用前景更為廣闊，更具吸引力。因此，三維光子晶體的制備、理論研究還是器件 設(shè)計、應(yīng)用探索，都引起了國際科學(xué)界的廣泛重視。制備三維光子晶體現(xiàn)倍受關(guān)注的方法是 基于自組裝膠體晶體模板法。 膠體顆粒一般為聚苯乙烯PS或二氧化硅Si02小球，在一定條件下，懸浮在溶劑中 的膠體顆粒會從無序的結(jié)構(gòu)相變成有序的蛋白石結(jié)構(gòu)(Opal)而形成膠體晶體模板。由于膠 體晶體模板制備技術(shù)已趨近成熟，向模板的空隙填充高介電常數(shù)物質(zhì)是制備三維光子晶體 材料的關(guān)鍵。如果向膠體晶體的孔隙填充高介電的材料(折射率大于2.5)，將在去除模板后 形成的反蛋白結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)完全的光子帶隙。硅作為半導(dǎo)體技術(shù)的基礎(chǔ)，具有折射率『3. 53 (1. lym)，是制備三維光子晶體的理想材料。目前，在制備三維硅光子晶體中，使用填充膠 體晶體模板的方法有化學(xué)氣相沉積(CVD)、納米晶體滲入法。AlvaorBlanco等在2000年 第405期《自然》(nature)雜質(zhì)上437 440頁記載的發(fā)表的采用LPCVD的方法利用乙硅 烷為先驅(qū)體，將硅的納米團簇均勻沉積到蛋白石內(nèi)部，填充率接近88%，然后再在中溫退火 處理形成多晶硅，形成純硅反蛋白石結(jié)構(gòu)是具有完全的光子帶隙光子晶體；匡代彬、吳玉、 歐晃棟等在2003年第20巻第1期《應(yīng)用化學(xué)》(ChineseJournalofA卯liedChemistry)期 刊92 94頁上發(fā)表的用在脈沖激光濺射沖擊下碎成納米粒子沉積在模板上制備了三維硅 光子晶體。然而這些方法普遍存在設(shè)備昂貴、工藝復(fù)雜、填充率低和容易形成核殼結(jié)構(gòu)的缺 點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種電沉積制備三維硅光子晶體的方法，解決現(xiàn)有三維硅光 子晶體制備方法填充率低、成本高、無法在室溫下實現(xiàn)的問題，本發(fā)明提供了一種電沉積制 備三維硅光子晶體的方法。 本發(fā)明電沉積制備三維硅光子晶體的方法是通過以下步驟實現(xiàn)的一、
制備膠體晶體模板將經(jīng)清洗的導(dǎo)電基片浸入體積濃度為O. 1% 0. 3%的聚苯乙烯 (Polystyrene, PS)微球乳液中，在55 65。C下靜置64 80小時后得到自組裝膠體晶體模 板，其中，以與聚苯乙烯微球乳液液面呈80。 90°的角度將導(dǎo)電基片浸入聚苯乙烯微球 乳液，聚苯乙烯微球乳液中PS微球的粒徑大小分布為200nm 700nm，單分散度〈5% ;二、 配置電解液在^0和02含量均小于lppm的條件下，將SiCl4加入離子液體l-丁基，1-甲基吡咯雙三氟甲基磺酸胺鹽(PywT&N)溶劑中，攪拌溶解后靜置20 28h，配制得摩爾濃度 為0. 1 lmol/L的SiCl4電解液；三、在膠體晶體模板上填充還原硅在H20和02含量均小 于lppm的條件下，采用步驟一得到的膠體晶體模板為工作電極，鉬絲作為對電極，銀絲作 為參比電極，步驟二得到的SiCl4電解液為電解液，在三電極體系中進行電化學(xué)循環(huán)伏安測 試，然后由循環(huán)伏安掃描曲線讀取還原電位，然后在還原電位下進行恒電位沉積0. 5 4h， 得到填充還原硅的膠體晶體模板，其中還原電位為_2. 7 -1. 5V ;四、化學(xué)腐蝕法去除膠體 晶體模板將步驟三得到的填充還原硅的膠體晶體模板放入有機溶劑中浸泡1 5min，即 得三維硅光子晶體。 本發(fā)明步驟二中將SiCl4加入離子液體1- 丁基，1-甲基吡咯雙三氟甲基磺酸
胺鹽(PywT&N)前，將PywT&N在真空手套箱中進行二次去水，在圓底蒸餾瓶中加熱攪拌 12h后再使用。SiCl4的質(zhì)量純度不低于99. 99%。 本發(fā)明采用電沉積法實現(xiàn)了三維硅光子晶體的制備，在離子液體體系中實現(xiàn)了
SiCh的電沉積，解決了電沉積硅所使用的前驅(qū)體SiCl4極易水解，在水溶液中無法實現(xiàn)電
沉積硅的問題。對于在使用有機溶劑進行電沉積，很難避免沉積物的氧化，導(dǎo)致電沉積膜層
的質(zhì)量不好。本發(fā)明采用了性能穩(wěn)定、抗氧化能力強的離子液體l-丁基，1-甲基吡咯雙三
氟甲基磺酸胺鹽(PywT&N)作為溶劑，在自組裝PS膠體晶體模板上原位還原硅，首次將離
子液體體系電沉積技術(shù)和膠體晶體模板法結(jié)合，實現(xiàn)了三維硅光子晶體的制備。 現(xiàn)有制備方法得到的三維硅光子晶體填充率為40% 70%，本發(fā)明電沉積方法在
聚苯乙烯小球膠體晶體模板上還原得到的硅三維結(jié)構(gòu)光子晶體，填充率達100%，幾乎無結(jié)
構(gòu)收縮，反蛋白石結(jié)構(gòu)；本發(fā)明中硅的介電常數(shù)較高，并且填充率達100%，從而產(chǎn)生完全光
子帶隙。 本發(fā)明方法工藝簡單，操作方便，設(shè)備簡單，成本降低。制備過程在常溫下即可實 現(xiàn)。


圖1是具體實施方式
一中電沉積制備三維硅光子晶體的方法的流程示意圖；圖2 是具體實施方式
二十中電化學(xué)循環(huán)伏安測試曲線圖；圖3是具體實施方式
二十中在氧化錫 玻璃基片上進行循環(huán)伏安測試得到的循環(huán)伏安曲線圖，圖中曲線1是在SiCl4離子液體體 系電解液中的循環(huán)伏安曲線，曲線2是在離子液體Pyi，4Tf2N中的循環(huán)伏安曲線；圖4是具 體實施方式二十中步驟一得到的自組裝膠體晶體模板的表面形貌圖；圖5是具體實施方式
二十中步驟一得到的自組裝膠體晶體模板的截面形貌圖；圖6是具體實施方式
二十得到的 三維硅光子晶體放大20000倍的表面形貌圖；圖7是具體實施方式
二十得到的三維硅光子 晶體放大40000倍的表面形貌圖。
具體實施例方式
本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的
任意組合。
具體實施方式
一 本實施方式電沉積制備三維硅光子晶體的方法是通過以下步驟 實現(xiàn)的一、制備膠體晶體模板將經(jīng)清洗的導(dǎo)電基片浸入體積濃度為0. 1% 0. 3%的聚苯乙烯(Polystyrene, PS)微球乳液中，在55 65。C下靜置64 80小時后得到自組裝膠 體晶體模板，其中，以與聚苯乙烯微球乳液液面呈80。 90°的角度將導(dǎo)電基片浸入聚苯 乙烯微球乳液，聚苯乙烯微球乳液中PS微球的粒徑大小分布為200nm 700nm，單分散度 < 5% ;二、配置電解液在H20和02含量均小于lppm的條件下，將SiCl4加入離子液體1- 丁 基，1-甲基吡咯雙三氟甲基磺酸胺鹽(PywT&N)溶劑中，攪拌溶解后靜置20 28h，配制 得摩爾濃度為0. 1 lmol/L的SiCl4電解液；三、在膠體晶體模板上填充還原硅在H20和 02含量均小于lppm的條件下，采用步驟一得到的膠體晶體模板為工作電極，鉬絲作為對電 極，銀絲作為參比電極，步驟二得到的SiCh電解液為電解液，在三電極體系中進行電化學(xué) 循環(huán)伏安測試，然后由循環(huán)伏安掃描曲線讀取還原電位，然后在還原電位下進行恒電位沉 積0. 5 4h，得到填充還原硅的膠體晶體模板，其中還原電位為-2. 7 -1. 5V ;四、化學(xué)腐 蝕法去除膠體晶體模板將步驟三得到的填充還原硅的膠體晶體模板放入有機溶劑中浸泡 1 5min，即得三維硅光子晶體。 本實施方式的制備方法流程示意圖如圖1所示，步驟一得到的膠體晶體模板如圖 中"I "所示，得到的膠體晶體模板為面心立方結(jié)構(gòu)；經(jīng)步驟三在含SiCl4的離子液體體系
電解液中加壓進行恒電壓電沉積，得到如圖i中"n"所示的填充還原硅的膠體晶體模板，
然后經(jīng)步驟四除膠體晶體模板后得到的具有反蛋白石結(jié)構(gòu)的三維硅光子晶體，如圖1中
"m"。 本實施方式電沉積方法在聚苯乙烯小球膠體晶體模板上還原得到的硅三維結(jié)構(gòu) 光子晶體，填充率達100%，幾乎無結(jié)構(gòu)收縮，反蛋白石結(jié)構(gòu)；本發(fā)明中硅的介電常數(shù)較高， 并且填充率達100%，從而產(chǎn)生完全光子帶隙。本發(fā)明方法工藝簡單，操作方便，設(shè)備簡單，成 本降低。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中導(dǎo)電基片為重 摻雜的Si片、氧化錫玻璃基片或者表面經(jīng)過晶面取向生長處理的金屬基片。其它步驟及參 數(shù)與具體實施方式
一相同。 本實施方式中表面經(jīng)過晶面取向生長處理的金屬基片中晶面取向生長處理可以 是拋光處理，退火處理，利用反應(yīng)射頻磁控濺射儀進行濺射，或者化學(xué)腐蝕處理的方法。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是步驟一中導(dǎo)電基片 的清洗方式為將導(dǎo)電基片依次用丙酮、甲醇、超純水進行超聲清洗20min，然后吹干即可。 其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一、二或三不同的是步驟一中聚苯 乙烯(Polystyrene, PS)微球乳液的制備方法為聚苯乙烯膠體乳液超聲分散20min后，用 吐溫20 (TWEEN20)稀釋，配制成質(zhì)量分數(shù)為0. 1 0. 3%的PS微球乳液，再超聲分散即可。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至四之一不同的是步驟一中以與 聚苯乙烯微球乳液液面呈90。的角度將導(dǎo)電基片浸入聚苯乙烯微球乳液。其它步驟及參數(shù) 與具體實施方式
一至四之一相同。 本實施方式采用垂直沉積法制備自組裝膠體晶體模板。本實施方式中聚苯乙烯微 球乳液能夠浸潤垂直插入其中的玻璃片，在玻璃片上形成一個彎液面，液面處的溶劑不斷 揮發(fā)，同時液面周圍的溶液連續(xù)的流入，帶動膠體粒子進入這樣一個晶體生長區(qū)，這些膠體 粒子之間的相互作用的毛細管力驅(qū)使粒子在玻璃片-空氣-溶劑界面形成了致密排列晶體結(jié)構(gòu)。膠體晶體的排列方式一般有兩種，面心立方和四方排列，由于面心立方排列方式形成 的結(jié)構(gòu)緊密， 一般采用面心立方的膠體晶體模板。與重力沉降等其他方法組裝的膠體晶體 相比，采用垂直沉積法制備的膠體晶體除了具有可以避免多晶區(qū)域的產(chǎn)生、所用微球的粒 徑和膠體溶液的濃度精確控制樣品的厚度、生長速度快等優(yōu)點外，還可以在較大范圍(lcm2 甚至更大面積)呈現(xiàn)好的有序性。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一至四之一不同的是步驟一中以與 聚苯乙烯微球乳液液面呈80。 85°的角度將導(dǎo)電基片浸入聚苯乙烯微球乳液。其它步 驟及參數(shù)與具體實施方式
一至四之一相同。 本實施方式采用傾斜沉積法制備自組裝膠體晶體模板。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一至六之一不同的是步驟一中聚苯 乙烯微球乳液中PS微球的粒徑大小分布為400nm 600nm。其它步驟及參數(shù)與具體實施方 式一至六之一相同。 本實施方式中PS微球的單分散度< 4%， PS微球粒徑均一。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一至六之一不同的是步驟一中聚苯 乙烯微球乳液中PS微球的粒徑大小分布為500nm 520nm。其它步驟及參數(shù)與具體實施方 式一至六之一相同。 本實施方式中PS微球的單分散度< 3%， PS微球粒徑均一。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一至八之一不同的是步驟二中配制 得摩爾濃度為0. 2 0. 8mol/L的SiCl4電解液。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一至八 之一相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
一至八之一不同的是步驟二中配制 得摩爾濃度為0. 4 0. 6mol/L的SiCl4電解液。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一至八 之一相同。
具體實施方式
十一 本實施方式與具體實施方式
一至八之一不同的是步驟二中配 制得摩爾濃度為0. 5mol/L的SiCl4電解液。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一至八之一 相同。
具體實施方式
十二 本實施方式與具體實施方式
一至i^一之一不同的是步驟三中 采用的鉑絲和銀絲的質(zhì)量純度均不低于99.999%。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一至 十一之一相同。
具體實施方式
十三本實施方式與具體實施方式
一至十二之一不同的是步驟三中 進行循環(huán)伏安曲線掃描的具體操作為設(shè)置掃描區(qū)間為_3. 5V—2. 5V—-3. 5V，掃描速率為 5 10mV/s。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一至十二之一相同。 本實施方式中掃描方向為由-3. 5V向正向掃描至2. 5V，然后再由2. 5V向負向掃描 至-3.5V。得到的循環(huán)伏安掃描曲線為一個閉合回路曲線。
具體實施方式
十四本實施方式與具體實施方式
一至十三之一不同的是步驟三中 在還原電位下進行恒電位沉積0. 8 3h。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一至十三之一相 同。
具體實施方式
十五本實施方式與具體實施方式
一至十三之一不同的是步驟三中 在還原電位下進行恒電位沉積1 2h。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一至十三之一相同。 具體實施方式
十六本實施方式與具體實施方式
一至十五之一不同的是步驟三中 還原電位為_2. 6 -2. 3V。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一至十五之一相同。
具體實施方式
十七本實施方式與具體實施方式
一至十六之一不同的是步驟三在 厭氧厭水的真空手套箱中進行，真空手套箱中充滿高純惰性氣體。其它步驟及參數(shù)與具體 實施方式一至十六之一相同。 本實施方式中惰性氣體為氮氣、氬氣或者氦氣，質(zhì)量純度為99. 999%。
具體實施方式
十八本實施方式與具體實施方式
一至十七之一不同的是步驟四中 將步驟三得到的填充還原硅的膠體晶體模板放入有機溶劑中浸泡2 4min。其它步驟及參 數(shù)與具體實施一至十七之一相同。
具體實施方式
十九本實施方式與具體實施方式
一至十八之一不同的是步驟四中 有機溶劑是甲苯或者四氫呋喃。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一至十八之一相同。
具體實施方式
二十本實施方式電沉積制備三維硅光子晶體的方法是通過以下 步驟實現(xiàn)的一、制備膠體晶體模板將經(jīng)清洗的氧化錫玻璃基片浸入體積濃度為0. 2%的 聚苯乙烯(Polystyrene, PS)微球乳液中，在65°C下靜置72小時后得到自組裝膠體晶體 模板，其中，以與聚苯乙烯微球乳液液面呈90。的角度將導(dǎo)電基片浸入聚苯乙烯微球乳 液，聚苯乙烯微球乳液中PS微球的粒徑為500 520nm ;二、配置電解液在H20和02含 量均小于lppm的條件下，將SiCl4加入離子液體1- 丁基，1-甲基吡咯雙三氟甲基磺酸胺 鹽(PywT&N)溶劑中，攪拌溶解后靜置20 28h，配制得摩爾濃度為0. lmol/L的SiCl4電 解液；三、在膠體晶體模板上填充還原硅在H20和02含量均小于lppm的條件下，采用步 驟一得到的膠體晶體模板為工作電極，鉬絲作為對電極，銀絲作為參比電極，步驟二得到的 SiCl4電解液為電解液，在三電極體系中進行循環(huán)伏安測試，然后由循環(huán)伏安掃描曲線讀取 還原電位為_2. 55V，然后在還原電位-2. 55V下進行恒電位沉積lh，得到填充還原硅的膠體 晶體模板；四、化學(xué)腐蝕法去除膠體晶體模板將步驟三得到的填充還原硅的膠體晶體模 板放入四氫呋喃中浸泡5min，即得三維硅光子晶體。 本實施方式步驟一中聚苯乙烯(Polystyrene, PS)微球乳液的制備方法為聚苯 乙烯膠體乳液超聲分散20min后，用吐溫20 (TWEEN20)稀釋，配制成質(zhì)量分數(shù)為0. 2%的 PS微球乳液，再超聲分散即可。 本實施方式步驟三中進行循環(huán)伏安測試的具體操作為設(shè)置掃描速度10mV/s，靈 敏度為0. 0001V，采樣間隔0. 01V，靜置時間2s ;初始電壓0V，掃描從負向到正向開始，最大 負電勢-3.5V，最大正電勢2.5V，三段式掃描，完整循環(huán)。得到的循環(huán)伏案測試曲線圖如圖 2所示。圖中"一"表述掃描過程中曲線走向，即掃描方向。圖2中有三個Si的還原峰，其 中處于-2. 5 -2. 6處的還原峰面積最大，Si的還原效率最高。 為了進一步佐證此還原電壓的有效性，進行如下實驗在1120和02含量均小于 lppm的條件下，以本實施方式步驟一的氧化錫玻璃基片為工作電極，鉬絲作為對電極，銀絲 作為參比電極，本實施方式步驟二得到的SiCl4電解液為電解液，在三電極體系中進行循環(huán) 伏安測試，得到的循環(huán)伏安曲線如圖3中曲線1 (圖中黑色曲線)所示。圖中"一"表述掃 描過程中曲線走向，即掃描方向。由曲線1可知，依次出現(xiàn)了三個還原峰，對應(yīng)曲線1中的 QSi、 C2Si和C3 (Si)，其峰值分別為QSi :ED=_1. 93V， ID=_7. 89X10—5A ;C2Si :ED=_2. 65V，
7Ip=-2. 01X10—4A ;C3 (Si):Ep=-3. 5V，Ip=-2. 05X10—4A。由曲線1可見，在C2Si和C3 (Si)處 的還原峰的峰面積較大，在此電位下進行還原時，還原效率高。作為比較，本實施方式采用 與步驟三中相同的循環(huán)伏安測試手段，相同的三電極體系，不同的是選用純離子液體l-丁 基，1-甲基吡咯雙三氟甲基磺酸胺鹽(Py^T&N)作為電解液進行電化學(xué)循環(huán)伏安測試，測 試曲線如圖3中曲線2 (圖中紅色曲線)所示。由圖3中曲線2可知，純Py^Tf2N在第一段 掃描過程中，只在-2. 4V時出現(xiàn)一個較小的還原峰，在-2. 5V之后電流隨著電壓的變化開始 出現(xiàn)沿曲線變化，并有一定的緩沖，在由2.5向負向掃描過程中，在2. 5V到-1.0V段的曲線 與正向掃描-1. 0V到2. 5V段的曲線幾乎重合，第二段循環(huán)伏安曲線幾乎沿著原路返回。
綜合考慮圖2與圖3中所示的測試結(jié)果，結(jié)合考慮離子液體電解質(zhì)(在較負的電壓 下會導(dǎo)致一些有機物質(zhì)的還原)，因此確定還原電位為_2. 6 -2. 5V區(qū)間內(nèi)。
本實施方式將離子液體在氧化錫玻璃基片(IT0基板)上的電沉積與聚苯乙烯膠體 晶體模板技術(shù)(ColloidalCrystalTemplate，CCT)相結(jié)合。使用離子液體電沉積技術(shù)在膠 體晶體模板的孔隙中填充Si ;最后使用有機溶劑除去PS模板，并獲得有序材料。有序大孔 硅薄膜的離子液體電沉積法制備示意圖如圖1所示。 本實施方式對經(jīng)步驟一得到的自組裝膠體晶體模板進行掃描電子顯微鏡形貌表 征，表面形貌如圖4所示，截面形貌如圖5所示。通過圖4可以知道，所制備的膠體晶體模板 是一種面心立方的緊密堆積方式的排列。對圖5的觀察，可以知道制備的聚苯乙烯膠體晶 體模板的厚度為5 7 ii m。對于離子液體電沉積填充PS膠體晶體模板孔隙得到三維有序 大孔材料來說，三維有序大孔材料的厚度小于模板的厚度可以保證填充在模板的空隙中， 避免了沉積產(chǎn)物覆蓋在PS模板上。 本實施方式對得到的三維硅光子晶體進行掃描電子顯微鏡形貌表征，使用了 0. lmol/LSiC14+[Pyl， 4]Tf2N，在表面為515nm粒徑的PS膠體晶體模板的IT0基板上，電沉 積Sil小時，然后在測試之前使用四氫呋喃去除PS小球，得到的三維有序大孔結(jié)構(gòu)。放大 20000倍的表面形貌如圖6所示，放大40000倍的表面形貌如圖7所示。三維有序大孔Si 薄膜的結(jié)構(gòu)是三維的，孔的結(jié)構(gòu)保存良好，尺寸保持良好，依然是560nm左右，幾乎不存在 孔的收縮。在幾個平方微米的范圍內(nèi)，保持良好的有序度，如圖7。而在更大的范圍內(nèi)，有 沉積不均勻的現(xiàn)象，如圖6 ，這很有可能是根據(jù)模板自身條件的限制所導(dǎo)致的。
本實施方式對得到的三維硅光子晶體晶型EDX成分分析，各成分的重量百分 比和原子百分比的分析結(jié)果如表1所示。 表1是本實施方式的三維硅光子晶體的成分分析結(jié)果。
表1
元素重量(％)原子(％)
0K13. 1143. 96
SiK14. 0926. 91
CaK4. 806. 42
InL21. 4710. 03
AuM46. 5412. 67
由表l可知，沉積物含有Si、0、Ca、In和Au等元素。In和Ca來自于基板。證明沉積 產(chǎn)物為單層的三維孔結(jié)構(gòu)，由于EDX能打透2 ii m， Si部分來自于IT0玻璃基板。0來自空氣 中的氧氣，由于沉積的Si為納米尺寸。與納米顆粒級的Si反應(yīng)，生成SiO" Au來自于SEM實驗中對表面的噴金處理c
權(quán)利要求
電沉積制備三維硅光子晶體的方法，其特征在于電沉積制備三維硅光子晶體的方法是通過以下步驟實現(xiàn)的一、制備膠體晶體模板將經(jīng)清洗的導(dǎo)電基片浸入體積濃度為0.1%～0.3%的聚苯乙烯微球乳液中，在55～65℃下靜置64～80小時后得到自組裝膠體晶體模板，其中，以與聚苯乙烯微球乳液液面呈80°～90°的角度將導(dǎo)電基片浸入聚苯乙烯微球乳液，聚苯乙烯微球乳液中PS微球的粒徑大小分布為200nm～700nm，單分散度＜5%；二、配置電解液在H2O和O2含量均小于1ppm的條件下，將SiCl4加入離子液體1-丁基,1-甲基吡咯雙三氟甲基磺酸胺鹽溶劑中，攪拌溶解后靜置20～28h，配制得摩爾濃度為0.1～1mol/L的SiCl4電解液；三、在膠體晶體模板上填充還原硅在H2O和O2含量均小于1ppm的條件下，采用步驟一得到的膠體晶體模板為工作電極，鉑絲作為對電極，銀絲作為參比電極，步驟二得到的SiCl4電解液為電解液，在三電極體系中進行電化學(xué)循環(huán)伏安測試，然后由循環(huán)伏安掃描曲線讀取還原電位，然后在還原電位下進行恒電位沉積0.5～4h，得到填充還原硅的膠體晶體模板，其中還原電位為-2.7～-1.5V；四、化學(xué)腐蝕法去除膠體晶體模板將步驟三得到的填充還原硅的膠體晶體模板放入有機溶劑中浸泡1～5min，即得三維硅光子晶體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電沉積制備三維硅光子晶體的方法，其特征在于步驟一中導(dǎo) 電基片為重摻雜的Si片、氧化錫玻璃基片或者表面經(jīng)過晶面取向生長處理的金屬基片。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電沉積制備三維硅光子晶體的方法，其特征在于步驟一 中以與聚苯乙烯微球乳液液面呈80。 85°的角度將導(dǎo)電基片浸入聚苯乙烯微球乳液。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電沉積制備三維硅光子晶體的方法，其特征在于步驟二中配 制得摩爾濃度為0. 2 0. 8mol/L的SiCl4電解液。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電沉積制備三維硅光子晶體的方法，其特征在于步驟二中配 制得摩爾濃度為0. 4 0. 6mol/L的SiCl4電解液。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電沉積制備三維硅光子晶體的方法，其特征在于步驟二中配 制得摩爾濃度為0. 5mol/L的SiCl4電解液。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、4、5或6所述的電沉積制備三維硅光子晶體的方法，其特征在于 步驟三中進行循環(huán)伏安曲線掃描的具體操作為設(shè)置掃描區(qū)間為-3. 5V—2. 5V—-3. 5V，掃 描速率為5 10mV/s。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的電沉積制備三維硅光子晶體的方法，其特征在于步驟三中在 還原電位下進行恒電位沉積0. 8 3h。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的電沉積制備三維硅光子晶體的方法，其特征在于步驟三中在 還原電位下進行恒電位沉積1 2h。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、4、5、6、8或9所述的電沉積制備三維硅光子晶體的方法，其特征 在于步驟三中還原電位為_2. 6 -2. 3V。
全文摘要
電沉積制備三維硅光子晶體的方法，它涉及一種三維硅光子晶體的制備方法。本發(fā)明解決現(xiàn)有三維硅光子晶體制備方法填充率低、成本高、無法在室溫下實現(xiàn)的問題。本發(fā)明的方法一、制備膠體晶體模板；二、配置電解液；三、在膠體晶體模板上填充還原硅；四、化學(xué)腐蝕法去除膠體晶體模板。本發(fā)明電沉積方法的填充率達100%，能產(chǎn)生完全光子帶隙。得到的三維硅光子晶體具有反蛋白石結(jié)構(gòu)。本發(fā)明方法工藝簡單，操作方便，設(shè)備簡單，成本降低，在常溫下即可實現(xiàn)。
文檔編號C30B30/02GK101775660SQ20101013437
公開日2010年7月14日 申請日期2010年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月29日
發(fā)明者劉昕, 孟祥東, 張一 , 李垚, 趙九蓬, 辛伍紅 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)