專利名稱：非密堆蛋白石光子晶體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光子晶體的制備方法，特別涉及一種非密堆蛋白石光子晶體的制備方法。
背景技術(shù)：
光子晶體是一種折射率空間周期變化的新型光學微結(jié)構(gòu)材料，光子對于人工周期性介電材料，即相當于電子對于半導體材料，因此得名。其中，單分散微球在某種介質(zhì)中相互間以一定的空間間隔排列成周期排列的三維有序結(jié)構(gòu)稱為非緊密堆積光子晶體，這類光子晶體可提高光子晶體的調(diào)控性。制備非密堆光子晶體的方法主要包括微細加工法和自組裝法，其中微細加工法可制備多樣的光子晶體結(jié)構(gòu)，但周期長、成本高；而自組裝法所制備的結(jié)構(gòu)較為單一，但其制備工藝設(shè)備簡單、周期短、成本低。在自組裝方法中，目前主要有三種方法(1)將單分散微球分散在可以聚合的高分子單體溶液中進行聚合而得，此法過程中聚合反應比較困難；( 在緊密堆積膠體晶體中灌注具有伸縮特性的彈性材料，再通過拉伸彈性材料從而將緊密堆積的膠體晶體轉(zhuǎn)換為非緊密堆積膠體晶體結(jié)構(gòu)，其存在可選擇的伸縮性材料較少、灌注較困難的缺點；(3)將核殼結(jié)構(gòu)進行自組裝，之后將核或殼除去， 此法中制備出粒徑分布窄的球形核殼顆粒是其難點。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種非密堆蛋白石光子晶體的制備方法，制備的非密堆蛋白石光子晶體排列完整、間隙可調(diào)，且生產(chǎn)工藝簡單、周期短、所需設(shè)備簡單。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是非密堆蛋白石光子晶體的制備方法，包括以下步驟第一步，以正硅酸乙酯為原料制備SW2納米或亞微米球；第二步，將粒徑比為Dsi02 D有機微球=5 8 1的兩種球體顆粒按質(zhì)量比為 Hlsi02 H^tttw=I 3 1分別進行稱取，然后分別將兩種球體顆粒超聲分散于有機溶劑中，超聲時間為2 池，將兩懸浮液混合后繼續(xù)超聲2 池，得到混合懸浮液，其顆粒的質(zhì)量分數(shù)為 2%，其中=Dsw2表示SW2的直徑，0__3#表示有機微球的直徑，mSi()2表示 SiO2的質(zhì)量，表示有機微球的質(zhì)量；第三步，將基底垂直浸入已放置平穩(wěn)的混合懸浮液中，在40 50°C下真空干燥， 待溶液完全蒸發(fā)后，在基底表面生長出一層雙尺寸光子晶體；第四步，將雙尺寸光子晶體煅燒4 他，煅燒溫度為所用有機微球的燃燒分解溫度，即得非密堆蛋白石光子晶體。其中，所述第一步制備SiA納米或亞微米球按照以下步驟實現(xiàn)首先，將正硅酸乙酯溶于a體積份的無水乙醇配置成溶液A ；
其次，將正硅酸乙酯體積1 5倍的質(zhì)量濃度為25% 氨水溶于b體積份的無水乙醇配置成溶液B，a b = 1 1 2 ；然后，將溶液A置于磁力攪拌設(shè)備中，在不停攪拌下將溶液B加入溶液A中，混合液中正硅酸乙酯的濃度為0. 4 0. 6mol/L,反應2 后，分離沉淀，離心洗滌后于50 60°C 干燥，得到SiO2納米或亞微米球。所述第二步中有機微球的分解燃燒溫度低于500°C，可以選擇聚苯乙烯、聚氨酯、 聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羥乙酯或者聚苯乙烯丙烯酸羥乙酯等。所述第二步中有機溶劑為乙醇、甲醇、丙酮、乙腈或者異丙醇等。所述第三步中基底為載玻片、ITO玻璃或者硅片以及其它能承受煅燒溫度的基底材料。所述第三步中基底在浸入混合懸浮液之前，先依次用質(zhì)量濃度為 2%的氫氟酸，體積比為7 3的濃硫酸-雙氧水混合溶液，以及質(zhì)量濃度為 2%的氫氧化鈉溶液各超聲清洗15min，用去離子水沖洗后在紅外燈下烘干備用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是(1)本方法制備的非密堆蛋白石光子晶體周期性排列完整，且其周期性排列的間隙可調(diào)，通常用密堆積光子晶體刻蝕來獲得非密堆蛋白石結(jié)構(gòu)，但是刻蝕緊密堆積的單尺寸光子晶體時，其中的膠體球的形貌易被破壞，且容易造成排列的破壞，本方法采用兩種膠體顆粒，其中有機顆粒的配比可控制二氧化硅顆粒的間隙，有機顆粒是通過煅燒去除的，對二氧化硅顆粒不造成損壞，且通常在300 500°C這個有機物煅燒去除的溫度區(qū)間內(nèi)，會使二氧化硅膠體晶體的排列更加緊密。(2)生產(chǎn)工藝簡單，設(shè)備簡單，操作簡便，制備周期較短，產(chǎn)率較高，目前，如果利用對密堆結(jié)構(gòu)刻蝕技術(shù)來制備非密堆結(jié)構(gòu)易損壞膠體排列，而利用微細加工來制備非密堆結(jié)構(gòu)，雖然其精密度高，制備周期排列好，但是制備的非密堆結(jié)構(gòu)光子晶體周期長、也不能如自組裝法一樣大面積地制備，而本工藝不僅可如利用自組裝法中周期短、可大面積制備的優(yōu)點，而且由于利用的是雙尺寸光子晶體，沒有刻蝕帶來的損壞，因此產(chǎn)率高，同時工藝控制穩(wěn)定。(3) SiO2球體顆粒和有機微球為單獨制備，不存在反應中的相互影響，也不存在如灌注伸縮特性的彈性材料的制備方法中灌注的困難。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。實施例一非密堆蛋白石光子晶體的制備方法，包括以下步驟第一步，先將正硅酸乙酯溶于a體積份的無水乙醇配置成溶液A，再將正硅酸乙酯體積5倍的質(zhì)量濃度為25%的氨水溶于b體積份的無水乙醇配置成溶液B，a b=l 1， 然后，將溶液A置于磁力攪拌設(shè)備中，在不停攪拌下將溶液B加入溶液A中，混合液中正硅酸乙酯的濃度為0. 4mol/L,反應2 后，分離沉淀，離心洗滌后于50°C干燥，得到SW2納米或亞微米球；第二步，將粒徑比為DSiQ2 D有機微球=5 1的兩種球體顆粒按質(zhì)量比為mSiQ2 mM3*= 3 1分別進行稱取，然后分別將兩種球體顆粒超聲分散于乙醇中，超聲時間為2h， 將兩懸浮液混合后繼續(xù)超聲池，得到混合懸浮液，其顆粒的質(zhì)量分數(shù)為1%，其中有機微球選擇聚苯乙烯；第三步，將載玻片依次用質(zhì)量濃度為的氫氟酸，體積比為7 3的濃硫酸-雙氧水混合溶液，以及質(zhì)量濃度為的氫氧化鈉溶液各超聲清洗15min，用去離子水沖洗后在紅外燈下烘干備用，然后將載玻片垂直浸入已放置平穩(wěn)的混合懸浮液中，在50°C下真空干燥，待溶液完全蒸發(fā)后，在載玻片表面生長出一層雙尺寸光子晶體；第四步，將雙尺寸光子晶體在450°C溫度下煅燒6h，即獲得非密堆蛋白石光子晶體。實施例二 非密堆蛋白石光子晶體的制備方法，包括以下步驟第一步，先將正硅酸乙酯溶于a體積份的無水乙醇配置成溶液A，再將正硅酸乙酯等體積的質(zhì)量濃度為的氨水溶于b體積份的無水乙醇配置成溶液B，a b = l 2， 然后，將溶液A置于磁力攪拌設(shè)備中，在不停攪拌下將溶液B加入溶液A中，混合液中正硅酸乙酯的濃度為0. 6mol/L,反應2 后，分離沉淀，離心洗滌后于60°C干燥，得到SW2納米或亞微米球；第二步，將粒徑比為Dsi02 D有機微球=8 1的兩種球體顆粒按質(zhì)量比為mSi02 m ^mm= 1 1分別進行稱取，然后分別將兩種球體顆粒超聲分散于甲醇中，超聲時間為池， 將兩懸浮液混合后繼續(xù)超聲池，得到混合懸浮液，其顆粒的質(zhì)量分數(shù)為1%，其中有機微球選擇聚氨酯；第三步，將ITO玻璃依次用質(zhì)量濃度為1.5%的氫氟酸，體積比為7 3的濃硫酸-雙氧水混合溶液，以及質(zhì)量濃度為1. 5%的氫氧化鈉溶液各超聲清洗15min，用去離子水沖洗后在紅外燈下烘干備用，然后將ITO玻璃垂直浸入已放置平穩(wěn)的混合懸浮液中，在 50°C下真空干燥，待溶液完全蒸發(fā)后，在ITO玻璃表面生長出一層雙尺寸光子晶體；第四步，將雙尺寸光子晶體在400°C溫度下煅燒4h，即獲得非密堆蛋白石光子晶體。實施例三非密堆蛋白石光子晶體的制備方法，包括以下步驟第一步，先將正硅酸乙酯溶于a體積份的無水乙醇配置成溶液A，再將正硅酸乙酯體積4倍的質(zhì)量濃度為25%的氨水溶于b體積份的無水乙醇配置成溶液B，a b = 1 1.5，然后，將溶液A置于磁力攪拌設(shè)備中，在不停攪拌下將溶液B加入溶液A中，混合液中正硅酸乙酯的濃度為0. 5mol/L，反應2 后，分離沉淀，離心洗滌后于50°C干燥，得到 SiO2納米或亞微米球；第二步，將粒徑比為Dsi02 Ommm= 6 1的兩種球體顆粒按質(zhì)量比為mSi02 m ^mm= 2 1分別進行稱取，然后分別將兩種球體顆粒超聲分散于丙酮中，超聲時間為》1， 將兩懸浮液混合后繼續(xù)超聲池，得到混合懸浮液，其顆粒的質(zhì)量分數(shù)為1%，其中有機微球選擇聚甲基丙烯酸甲酯；第三步，將硅片依次用質(zhì)量濃度為2%的氫氟酸，體積比為7 3的濃硫酸-雙氧水混合溶液，以及質(zhì)量濃度為2%的氫氧化鈉溶液各超聲清洗15min，用去離子水沖洗后在
7紅外燈下烘干備用，然后將硅片垂直浸入已放置平穩(wěn)的混合懸浮液中，在50°C下真空干燥， 待溶液完全蒸發(fā)后，在硅片表面生長出一層雙尺寸光子晶體；第四步，將雙尺寸光子晶體在450°C溫度下煅燒6h，即獲得非密堆蛋白石光子晶體。實施例四非密堆蛋白石光子晶體的制備方法，包括以下步驟第一步，先將正硅酸乙酯溶于a體積份的無水乙醇配置成溶液A，再將正硅酸乙酯體積2倍的質(zhì)量濃度為觀％的氨水溶于b體積份的無水乙醇配置成溶液B，a b=l 2， 然后，將溶液A置于磁力攪拌設(shè)備中，在不停攪拌下將溶液B加入溶液A中，混合液中正硅酸乙酯的濃度為0. 5mol/L,反應2 后，分離沉淀，離心洗滌后于55°C干燥，得到SW2納米或亞微米球；第二步，將粒徑比為DSiQ2 D有機微球=6 1的兩種球體顆粒按質(zhì)量比為mSiQ2 m ^mm= 3 1分別進行稱取，然后分別將兩種球體顆粒超聲分散于丙酮中，超聲時間為2h， 將兩懸浮液混合后繼續(xù)超聲池，得到混合懸浮液，其顆粒的質(zhì)量分數(shù)為1. 5%，其中有機微球選擇聚甲基丙烯酸羥乙酯；第三步，將載玻片依次用質(zhì)量濃度為的氫氟酸，體積比為7 3的濃硫酸-雙氧水混合溶液，以及質(zhì)量濃度為的氫氧化鈉溶液各超聲清洗15min，用去離子水沖洗后在紅外燈下烘干備用，然后將載玻片垂直浸入已放置平穩(wěn)的混合懸浮液中，在45°C下真空干燥，待溶液完全蒸發(fā)后，在載玻片表面生長出一層雙尺寸光子晶體；第四步，將雙尺寸光子晶體在500°C溫度下煅燒5h，即獲得非密堆蛋白石光子晶體。以上各個實施例中，有機微球還可以有其他的多種選擇，但是作為一個原則，選擇的有機微球其分解燃燒溫度要低于500°C ；同樣的，球體顆粒超聲分散用的有機溶劑，也可以有多種選擇，例如還可以是乙腈或者異丙醇；各個實施例中，基底都可以為載玻片、ITO 玻璃或者硅片等其它的能夠承受最終煅燒溫度的載體。
權(quán)利要求
1.非密堆蛋白石光子晶體的制備方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，以正硅酸乙酯為原料制備SW2納米或亞微米球；第二步，將粒徑比為DsiQ2 D有機微球=5 8 1的兩種球體顆粒按質(zhì)量比為mSiQ2 m Itttw=I 3 1分別進行稱取，然后分別將兩種球體顆粒超聲分散于有機溶劑中，超聲時間為2 池，將兩懸浮液混合后繼續(xù)超聲2 池，得到混合懸浮液，其顆粒的質(zhì)量分數(shù)為 1 % 2%，其中DSiQ2表示SiO2的直徑，Dwmw表示有機微球的直徑，mSiQ2表示SW2的質(zhì)量， 表示有機微球的質(zhì)量；第三步，將基底垂直浸入已放置平穩(wěn)的混合懸浮液中，在40 50°C下真空干燥，待溶液完全蒸發(fā)后，在基底表面生長出一層雙尺寸光子晶體；第四步，將雙尺寸光子晶體煅燒4 他，煅燒溫度為所用有機微球的燃燒分解溫度，即得非密堆蛋白石光子晶體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非密堆蛋白石光子晶體的制備方法，其特征在于，所述第一步制備S^2納米或亞微米球按照以下步驟實現(xiàn)首先，將正硅酸乙酯溶于a體積份的無水乙醇配置成溶液A ；其次，將正硅酸乙酯體積1 5倍的質(zhì)量濃度為25% 的氨水溶于b體積份的無水乙醇配置成溶液B，a b = 1 1 2 ；然后，將溶液A置于磁力攪拌設(shè)備中，在不停攪拌下將溶液B加入溶液A中，混合液中正硅酸乙酯的濃度為0. 4 0. 6mol/L,反應2 后，分離沉淀，離心洗滌后于50 60°C干燥，得到SW2納米或亞微米球。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非密堆蛋白石光子晶體的制備方法，其特征在于，所述第二步中有機微球的分解燃燒溫度低于500°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非密堆蛋白石光子晶體的制備方法，其特征在于，所述第二步中有機微球為聚苯乙烯、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羥乙酯或者聚苯乙烯丙烯酸羥乙酯。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非密堆蛋白石光子晶體的制備方法，其特征在于，所述第二步中有機溶劑為乙醇、甲醇、丙酮、乙腈或者異丙醇。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非密堆蛋白石光子晶體的制備方法，其特征在于，所述第三步中基底為載玻片、ITO玻璃或者硅片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非密堆蛋白石光子晶體的制備方法，其特征在于，所述第三步中基底在浸入混合懸浮液之前，先依次用質(zhì)量濃度為 2%的氫氟酸，體積比為7 3 的濃硫酸-雙氧水混合溶液，以及質(zhì)量濃度為 2%的氫氧化鈉溶液各超聲清洗15min， 用去離子水沖洗后在紅外燈下烘干備用。
8.非密堆蛋白石光子晶體的制備方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，先將正硅酸乙酯溶于a體積份的無水乙醇配置成溶液A，再將正硅酸乙酯體積 5倍的質(zhì)量濃度為25%的氨水溶于b體積份的無水乙醇配置成溶液B，a b = l 1，然后，將溶液A置于磁力攪拌設(shè)備中，在不停攪拌下將溶液B加入溶液A中，混合液中正硅酸乙酯的濃度為0. 4mol/L,反應2 后，分離沉淀，離心洗滌后于50°C干燥，得到SiO2納米或亞微米球；第二步，將粒徑比為DSiQ2 D有機微球=5 1的兩種球體顆粒按質(zhì)量比為mSiQ2 m有機微球=3 1分別進行稱取，然后分別將兩種球體顆粒超聲分散于乙醇中，超聲時間為池，將兩懸浮液混合后繼續(xù)超聲池，得到混合懸浮液，其顆粒的質(zhì)量分數(shù)為1%，其中DSiQ2表示SiA 的直徑，D.^^^表示有機微球的直徑，mSi02表示SiA的質(zhì)量，表示有機微球的質(zhì)量， 有機微球為聚苯乙烯、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羥乙酯或者聚苯乙烯丙烯酸羥乙酯；第三步，將基底依次用質(zhì)量濃度為的氫氟酸，體積比為7 3的濃硫酸-雙氧水混合溶液，以及質(zhì)量濃度為的氫氧化鈉溶液各超聲清洗15min，用去離子水沖洗后在紅外燈下烘干備用，然后將基底垂直浸入已放置平穩(wěn)的混合懸浮液中，在50°C下真空干燥，待溶液完全蒸發(fā)后，在基底表面生長出一層雙尺寸光子晶體，所述基底為載玻片、ITO玻璃或者娃片；第四步，將雙尺寸光子晶體煅燒4 他，煅燒溫度為所用有機微球的燃燒分解溫度，即得非密堆蛋白石光子晶體。
9.非密堆蛋白石光子晶體的制備方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，先將正硅酸乙酯溶于a體積份的無水乙醇配置成溶液A，再將正硅酸乙酯等體積的質(zhì)量濃度為觀％的氨水溶于b體積份的無水乙醇配置成溶液B，a b = 1 2，然后， 將溶液A置于磁力攪拌設(shè)備中，在不停攪拌下將溶液B加入溶液A中，混合液中正硅酸乙酯的濃度為0. 6mol/L,反應2 后，分離沉淀，離心洗滌后于60°C干燥，得到SW2納米或亞微米球；第二步，將粒徑比為DSiQ2 D有機微球=8 1的兩種球體顆粒按質(zhì)量比為mSiQ2 m有機微球 =1 1分別進行稱取，然后分別將兩種球體顆粒超聲分散于甲醇中，超聲時間為池，將兩懸浮液混合后繼續(xù)超聲池，得到混合懸浮液，其顆粒的質(zhì)量分數(shù)為1%，其中DSiQ2表示SiA 的直徑，D.^^^表示有機微球的直徑，mSi02表示SiA的質(zhì)量，表示有機微球的質(zhì)量， 有機微球為聚苯乙烯、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羥乙酯或者聚苯乙烯丙烯酸羥乙酯；第三步，將基底依次用質(zhì)量濃度為1.5%的氫氟酸，體積比為7 3的濃硫酸-雙氧水混合溶液，以及質(zhì)量濃度為1. 5%的氫氧化鈉溶液各超聲清洗15min，用去離子水沖洗后在紅外燈下烘干備用，然后將基底垂直浸入已放置平穩(wěn)的混合懸浮液中，在50°C下真空干燥， 待溶液完全蒸發(fā)后，在載玻片表面生長出一層雙尺寸光子晶體，所述基底為載玻片、ITO玻璃或者硅片；第四步，將雙尺寸光子晶體煅燒4 他，煅燒溫度為所用有機微球的燃燒分解溫度，即得非密堆蛋白石光子晶體。
10.非密堆蛋白石光子晶體的制備方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，先將正硅酸乙酯溶于a體積份的無水乙醇配置成溶液A，再將正硅酸乙酯體積 3倍的質(zhì)量濃度為25%的氨水溶于b體積份的無水乙醇配置成溶液B，a b = 1 1.5， 然后，將溶液A置于磁力攪拌設(shè)備中，在不停攪拌下將溶液B加入溶液A中，混合液中正硅酸乙酯的濃度為0. 5mol/L,反應2 后，分離沉淀，離心洗滌后于50°C干燥，得到SW2納米或亞微米球；第二步，將粒徑比為DSiQ2 D有機微球=6 1的兩種球體顆粒按質(zhì)量比為mSiQ2 m有機微球 =2 1分別進行稱取，然后分別將兩種球體顆粒超聲分散于丙酮中，超聲時間為池，將兩懸浮液混合后繼續(xù)超聲池，得到混合懸浮液，其顆粒的質(zhì)量分數(shù)為1%，其中DSiQ2表示SW2 的直徑，D.^^^表示有機微球的直徑，mSi02表示S^2的質(zhì)量，表示有機微球的質(zhì)量， 有機微球為聚苯乙烯、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羥乙酯或者聚苯乙烯丙烯酸羥乙酯；第三步，將基底依次用質(zhì)量濃度為2%的氫氟酸，體積比為7 3的濃硫酸-雙氧水混合溶液，以及質(zhì)量濃度為2%的氫氧化鈉溶液各超聲清洗15min，用去離子水沖洗后在紅外燈下烘干備用，然后將基底垂直浸入已放置平穩(wěn)的混合懸浮液中，在50°C下真空干燥，待溶液完全蒸發(fā)后，在載玻片表面生長出一層雙尺寸光子晶體，所述基底為載玻片、ITO玻璃或者娃片；第四步，將雙尺寸光子晶體煅燒4 他，煅燒溫度為所用有機微球的燃燒分解溫度，即得非密堆蛋白石光子晶體。
全文摘要
一種非密堆蛋白石光子晶體的制備方法，先以正硅酸乙酯為原料制備SiO2球體顆粒，將大尺寸SiO2球體顆粒與小尺寸有機顆粒經(jīng)超聲、垂直沉積后獲得雙尺寸膠體晶體結(jié)構(gòu)，再將所得異質(zhì)雙尺寸膠體晶體結(jié)構(gòu)在有機顆粒的燃燒分解溫度下煅燒以除去有機物，即獲得非密堆蛋白石光子晶體，本發(fā)明方法設(shè)備簡單，操作簡便，制備周期較短，產(chǎn)率較高。
文檔編號C30B29/00GK102304761SQ20111024265
公開日2012年1月4日 申請日期2011年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月23日
發(fā)明者伍媛婷, 王秀峰 申請人:陜西科技大學