專利名稱：膠體光子晶體中可控線缺陷的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光子晶體的組裝技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種膠體光子晶體中可控線缺陷的制備方法。
背景技術(shù)：
光子晶體是指具有光子帶隙(PBG)特性的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)。所謂光子帶隙是指某一頻率范圍的波不能在此周期性結(jié)構(gòu)中傳播，即這種結(jié)構(gòu)本身存在“禁帶”。通過(guò)將特定的缺陷引進(jìn)晶體的帶隙結(jié)構(gòu)中，可以控制晶體內(nèi)部的光子流和制造各種微米級(jí)光學(xué)器件。光子晶體具有很多獨(dú)特的性能，因而被廣泛用于光學(xué)、電信、計(jì)算機(jī)、化工生產(chǎn)、藥物研制和生物科技等領(lǐng)域，例如可用作無(wú)閾值的激光器，無(wú)損耗的反射鏡和彎曲光路，高品質(zhì)因子的光學(xué)微腔，低驅(qū)動(dòng)能量的非線性開關(guān)和放大器，波長(zhǎng)分辨率極高而體積極小的超棱鏡，具有色散補(bǔ)償作用的光子晶體光纖，以及提高發(fā)光二極管的效率等。現(xiàn)有技術(shù)中制備具有線缺陷的光子晶體主要采用真空鍍膜、激光刻蝕、電子束刻蝕、反應(yīng)離子束刻蝕、逐層刻蝕和外延生長(zhǎng)等方法。由于工藝復(fù)雜，設(shè)備昂貴，上述方法制備具有線缺陷的光子晶體的成本非常高，不利于廣泛應(yīng)用和推廣。目前，非常需要一種工藝簡(jiǎn)單且成本低的膠體光子晶體中可控線缺陷的制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種膠體光子晶體中可控線缺陷的制備方法。本發(fā)明提供的膠體光子晶體中可控線缺陷的制備方法包括如下步驟分布密度可控地制備TiO2納米棒陣列；將膠體狀態(tài)的顆粒分散在分散介質(zhì)中制備分散液；將所述TiO2納米棒陣列放入容器中，使得TiO2納米棒的朝向?yàn)樨Q直向上；將所述分散液加入到盛有所述TiO2納米棒陣列的所述容器中；以及靜置所述容器使所述膠體狀態(tài)的顆粒自由沉降得到具有可控線缺陷的光子晶體。優(yōu)選地，所述密度可控地制備TiO2納米棒陣列進(jìn)一步包括如下步驟I)將鈦酸四正丁酯、水和乙酰丙酮按摩爾比為I : (I I. 2) (O. 3 O. 4)的比例溶于乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮，形成鈦濃度為O. I O. 3mol/L，聚乙烯吡咯烷酮濃度為30 60mg/L的TiO2前驅(qū)體溶膠；2)將所述TiO2前驅(qū)體溶膠在5 20°C下，以6000 8000rpm的速度旋涂到基板上，旋涂時(shí)間為30 40s，在基板上形成TiO2前驅(qū)體納米點(diǎn)陣列溶膠膜，然后將基板放入馬弗爐中在400 1000°C進(jìn)行熱處理；3)將熱處理后的基板放入鈦酸鹽與酸的混合水溶液中進(jìn)行水熱處理，混合水溶液中鈦酸鹽的濃度為O. 02 O. 05mol/L，混合水溶液中酸的濃度為O. 9 3. Omol/L，水熱處理溫度為80 220°C，水熱處理時(shí)間為O. 5 5h，得到在基板上的TiO2納米棒陣列。優(yōu)選地，所述鈦酸鹽為三氯化鈦、四氯化鈦、硫酸鈦、氟化鈦或鈦酸四正丁酯。優(yōu)選地，所述酸為鹽酸、硝酸、硫酸、油酸或醋酸。優(yōu)選地，所述基板的材質(zhì)包括FTO導(dǎo)電玻璃、ΙΤ0、石英、硅或金屬。優(yōu)選地，所述晶體顆粒包括Si02、ZrO2, TiO2, PSt、Si02/Fe304、聚苯乙烯(PSt)/ Fe304、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/Fe3O4和聚甲基丙烯酸縮水甘油酯(PGMA)/Fe3O4晶體顆粒中的一種或多種。優(yōu)選地，所述顆粒的粒徑為O. I I. O μ m。優(yōu)選地，所述分散介質(zhì)包括蒸餾水或乙醇與水的任意比例混合溶液，所述分散液中顆粒的質(zhì)量百分比濃度為O. 5 I. 5%。優(yōu)選地，所述TiO2納米棒的直徑為所述顆粒粒徑的O. 2 I倍。優(yōu)選地，靜置所述容器的時(shí)間為I 2周。本發(fā)明具有如下有益效果所述方法能夠制備具有線缺陷的光子晶體，且線缺陷的分布密度可控。通過(guò)調(diào)節(jié) TiO2納米棒陣列中TiO2納米棒的分布密度即可控制光子晶體中線缺陷的分布密度。所述方法制備工藝簡(jiǎn)單，效率高，成本低。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步的描述。實(shí)施例I以聚苯乙烯(PSt)膠體光子晶體中可控線缺陷的制備方法為例說(shuō)明本發(fā)明的制備方法。在本實(shí)施例中，PSt膠體光子晶體中可控線缺陷的制備方法包括如下步驟分布密度可控地制備TiO2納米棒陣列；將膠體狀態(tài)的PSt顆粒分散在分散介質(zhì)中制備含有PSt顆粒的分散液；將所述TiO2納米棒陣列放入容器中，使得TiO2納米棒的朝向?yàn)樨Q直向上；將所述含有PSt顆粒的分散液加入到盛有所述TiO2納米棒陣列的所述容器中；以及靜置所述容器使所述膠體狀態(tài)的PSt顆粒自由沉降得到具有可控線缺陷的PSt光子晶體。所述密度可控地制備TiO2納米棒陣列進(jìn)一步包括如下步驟I)將鈦酸四正丁酯、水和乙酰丙酮按例如摩爾比為I : 1.2 : O. 35的比例溶于乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮，形成鈦濃度例如為O. 3mol/L，聚乙烯吡咯烷酮濃度例如為 60mg/L的TiO2前驅(qū)體溶膠；2)將所述TiO2前驅(qū)體溶膠在例如10°C下，以例如7000rpm的速度旋涂到例如FTO 導(dǎo)電玻璃基板上，旋涂時(shí)間為例如40s，在所述FTO導(dǎo)電玻璃基板上形成TiO2前驅(qū)體納米點(diǎn)陣列溶膠膜，然后將所述FTO導(dǎo)電玻璃基板放入馬弗爐中在例如600°C進(jìn)行熱處理；3)將熱處理后的FTO導(dǎo)電玻璃基板放入例如鈦酸四正丁酯與鹽酸的混合水溶液中進(jìn)行水熱處理，混合水溶液中鈦酸四正丁酯的濃度為例如O. 02mol/L，混合水溶液中鹽酸的濃度為例如I. 3mol/L，水熱處理在例如水熱釜中進(jìn)行，水熱處理溫度為例如140°C，水熱處理時(shí)間為例如O. 5h，得到在FTO導(dǎo)電玻璃基板上的TiO2納米棒陣列。制備的TiO2納米棒陣列中，TiO2納米棒的直徑約為83nm，TiO2納米棒的分布密度為3. 4*109cm_2。在本實(shí)施例中，TiO2納米棒陣列中TiO2納米棒的分布密度定義為基板單位面積中TiO2納米棒的數(shù)目。在本實(shí)施例中，PSt顆粒的粒徑為例如IOOnm ;分散介質(zhì)為例如蒸餾水；PSt顆粒的形狀為例如球形。采用超聲分散使PSt顆粒在蒸餾水中均勻分散。所述分散液中PSt顆粒的質(zhì)量百分比濃度為例如I. 0%。在本實(shí)施例中，靜置所述容器使膠體狀態(tài)的PSt顆粒自由沉降的時(shí)間為例如2周。 制備得到的PSt光子晶體具有線缺陷，其線缺陷的分布密度為3. 4*109Cm_2。在本實(shí)施例中， 光子晶體的線缺陷的分布密度定義為垂直于線缺陷的單位面積內(nèi)線缺陷的數(shù)目。PSt光子晶體中線缺陷的分布密度由TiO2納米棒陣列中TiO2納米棒的分布密度決定，且PSt光子晶體中線缺陷的分布密度等于TiO2納米棒陣列中TiO2納米棒的分布密度。實(shí)施例2以SiO2膠體光子晶體中可控線缺陷的制備方法為例說(shuō)明本發(fā)明的制備方法。在本實(shí)施例中，SiO2膠體光子晶體中可控線缺陷的制備方法包括如下步驟分布密度可控地制備TiO2納米棒陣列；將膠體狀態(tài)的SiO2顆粒分散在分散介質(zhì)中制備含有SiO2顆粒的分散液；將所述TiO2納米棒陣列放入容器中，使得TiO2納米棒的朝向?yàn)樨Q直向上；將所述含有3102顆粒的分散液加入到盛有所述TiO2納米棒陣列的所述容器中；以及靜置所述容器使所述膠體狀態(tài)的SiO2顆粒自由沉降得到具有可控線缺陷的SiO2 光子晶體。所述分布密度可控地制備TiO2納米棒陣列進(jìn)一步包括如下步驟I)將鈦酸四正丁酯、水和乙酰丙酮按例如摩爾比為I : I. I : O. 4的比例溶于乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮，形成鈦濃度例如為O. 2mol/L，聚乙烯吡咯烷酮濃度例如為 40mg/L的TiO2前驅(qū)體溶膠；2)將所述TiO2前驅(qū)體溶膠在例如15°C下，以例如6500rpm的速度旋涂到例如 ITOdndium Tin Oxides)基板上，旋涂時(shí)間為例如30s，在所述ITO基板上形成TiO2前驅(qū)體納米點(diǎn)陣列溶膠膜，然后將所述ITO基板放入馬弗爐中在例如400°C進(jìn)行熱處理；3)將熱處理后的ITO基板放入例如四氯化鈦與硫酸的混合水溶液中進(jìn)行水熱處理，混合水溶液中四氯化鈦的濃度為例如O. 02mol/L,混合水溶液中硫酸的濃度為例如
O.9mol/L，水熱處理在例如水熱釜中進(jìn)行，水熱處理溫度為例如110°C，水熱處理時(shí)間為例如I. 5h，得到在ITO基板上的TiO2納米棒陣列。制備的TiO2納米棒陣列中，TiO2納米棒的直徑約為42nm，TiO2納米棒的分布密度為3. 6*106cm_2。在本實(shí)施例中，TiO2納米棒陣列中TiO2納米棒的分布密度定義為基板單位面積中TiO2納米棒的數(shù)目。在本實(shí)施例中，SiO2顆粒的粒徑為例如IOOnm ;分散介質(zhì)為例如蒸餾水；Si02顆粒的形狀為例如球形。采用超聲分散使SiO2顆粒在蒸餾水中均勻分散。所述分散液中SiO2顆粒的質(zhì)量百分比濃度為例如I. 5%。在本實(shí)施例中，靜置所述容器使膠體狀態(tài)的SiO2顆粒自由沉降的時(shí)間為例如I. 5 周。制備得到的SiO2光子晶體具有線缺陷，其線缺陷的分布密度為3. 6*106cm_2。在本實(shí)施例中，光子晶體的線缺陷的分布密度定義為垂直于線缺陷的單位面積內(nèi)線缺陷的數(shù)目。SiO2 光子晶體中線缺陷的分布密度由TiO2納米棒陣列中TiO2納米棒的分布密度決定，且SiO2* 子晶體中線缺陷的分布密度等于TiO2納米棒陣列中TiO2納米棒的分布密度。實(shí)施例3以Si02/Fe304膠體光子晶體中可控線缺陷的制備方法為例說(shuō)明本發(fā)明的制備方法。在本實(shí)施例中，Si02/Fe304膠體光子晶體中可控線缺陷的制備方法包括如下步驟分布密度可控地制備TiO2納米棒陣列；將膠體狀態(tài)的Si02/Fe304復(fù)合材料顆粒分散在分散介質(zhì)中制備含有Si02/Fe304顆粒的分散液；將所述TiO2納米棒陣列放入容器中，使得TiO2納米棒的朝向?yàn)樨Q直向上；將所述含有Si02/Fe304顆粒的分散液加入到盛有所述1102納米棒陣列的所述容器中；以及靜置所述容器使所述膠體狀態(tài)的Si02/Fe304顆粒自由沉降得到具有可控線缺陷的 Si02/Fe304光子晶體。所述分布密度可控地制備TiO2納米棒陣列進(jìn)一步包括如下步驟I)將鈦酸四正丁酯、水和乙酰丙酮按例如摩爾比為I : I : O. 35的比例溶于乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮，形成鈦濃度例如為O. 3mol/L，聚乙烯吡咯烷酮濃度例如為 40mg/L的TiO2前驅(qū)體溶膠；2)將所述TiO2前驅(qū)體溶膠在例如5°C下，以例如8000rpm的速度旋涂到例如金屬基板上，旋涂時(shí)間為例如30s，在所述硅基板上形成TiO2前驅(qū)體納米點(diǎn)陣列溶膠膜，然后將所述金屬基板放入馬弗爐中在例如1000°C進(jìn)行熱處理；3)將熱處理后的金屬基板放入例如三氯化鈦與鹽酸的混合水溶液中進(jìn)行水熱處理，混合水溶液中三氯化鈦的濃度為例如O. 05mol/L,混合水溶液中鹽酸的濃度為例如 3mol/L，水熱處理在例如水熱釜中進(jìn)行，水熱處理溫度為例如220°C，水熱處理時(shí)間為例如 lh，得到在金屬基板上的TiO2納米棒陣列。制備的TiO2納米棒陣列中，TiO2納米棒的直徑約為200nm，TiO2納米棒的分布密度為8. 3*1013cm_2。在本實(shí)施例中，TiO2納米棒陣列中TiO2納米棒的分布密度定義為基板單位面積中TiO2納米棒的數(shù)目。在本實(shí)施例中，Si02/Fe304顆粒的粒徑為例如I. O μ m ;分散介質(zhì)為例如乙醇與水的任意比例混合溶液；Si02/Fe304顆粒的形狀為例如球形。采用超聲分散使Si02/Fe304顆粒在分散介質(zhì)中均勻分散。所述分散液中Si02/Fe304顆粒的質(zhì)量百分比濃度為例如O. 5%。在本實(shí)施例中，靜置所述容器使膠體狀態(tài)的Si02/Fe304顆粒自由沉降的時(shí)間為例如I. 5周。制備得到的Si02/Fe304光子晶體具有線缺陷，其線缺陷的分布密度為
8.3*1013cm_2。在本實(shí)施例中，光子晶體的線缺陷的分布密度定義為垂直于線缺陷的單位面積內(nèi)線缺陷的數(shù)目。Si02/Fe304光子晶體中線缺陷的分布密度由TiO2納米棒陣列中TiO2納米棒的分布密度決定，且Si02/Fe304光子晶體中線缺陷的分布密度等于TiO2納米棒陣列中 TiO2納米棒的分布密度。應(yīng)當(dāng)理解，以上借助優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行的詳細(xì)說(shuō)明是示意性的而非限制性的。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在閱讀本發(fā)明說(shuō)明書的基礎(chǔ)上可以對(duì)各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.膠體光子晶體中可控線缺陷的制備方法，其特征在于，該方法包括如下步驟分布密度可控地制備TiO2納米棒陣列；將膠體狀態(tài)的顆粒分散在分散介質(zhì)中制備分散液；將所述TiO2納米棒陣列放入容器中，使得TiO2納米棒的朝向?yàn)樨Q直向上；將所述分散液加入到盛有所述TiO2納米棒陣列的所述容器中；以及靜置所述容器使所述膠體狀態(tài)的顆粒自由沉降得到具有可控線缺陷的光子晶體。
2.如權(quán)利要求I所述的膠體光子晶體中可控線缺陷的制備方法，其特征在于，所述密度可控地制備TiO2納米棒陣列進(jìn)一步包括如下步驟1)將鈦酸四正丁酯、水和乙酰丙酮按摩爾比為I: (I I. 2) (O. 3 O. 4)的比例溶于乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮，形成鈦濃度為O. I O. 3mol/L，聚乙烯吡咯烷酮濃度為30 60mg/L的TiO2前驅(qū)體溶膠；2)將所述TiO2前驅(qū)體溶膠在5 20°C下，以6000 8000rpm的速度旋涂到基板上， 旋涂時(shí)間為30 40s，在基板上形成TiO2前驅(qū)體納米點(diǎn)陣列溶膠膜，然后將基板放入馬弗爐中在400 1000°C進(jìn)行熱處理；3)將熱處理后的基板放入鈦酸鹽與酸的混合水溶液中進(jìn)行水熱處理，混合水溶液中鈦酸鹽的濃度為O. 02 O. 05mol/L,混合水溶液中酸的濃度為O. 9 3. OmoI/L,水熱處理溫度為80 220°C，水熱處理時(shí)間為O. 5 5h，得到在基板上的TiO2納米棒陣列。
3.如權(quán)利要求2所述的膠體光子晶體中可控線缺陷的制備方法，其特征在于，所述鈦酸鹽為三氯化鈦、四氯化鈦、硫酸鈦、氟化鈦或鈦酸四正丁酯。
4.如權(quán)利要求2所述的膠體光子晶體中可控線缺陷的制備方法，其特征在于，所述酸為鹽酸、硝酸、硫酸、油酸或醋酸。
5.如權(quán)利要求2所述的膠體光子晶體中可控線缺陷的制備方法，其特征在于，所述基板的材質(zhì)包括FTO導(dǎo)電玻璃、ΙΤ0、石英、硅或金屬。
6.如權(quán)利要求I所述的膠體光子晶體中可控線缺陷的制備方法，其特征在于，所述晶體顆粒包括 SiO2、ZrO2、TiO2、PSt、Si02/Fe304、PSt/Fe304、PMMA/Fe304 和 PGMA/Fe304 晶體顆粒中的一種或多種。
7.如權(quán)利要求I所述的膠體光子晶體中可控線缺陷的制備方法，其特征在于，所述晶體顆粒的粒徑為O. I I μ m。
8.如權(quán)利要求I所述的膠體光子晶體中可控線缺陷的制備方法，其特征在于，所述分散介質(zhì)包括蒸餾水或乙醇與水的任意比例混合溶液，所述分散液中顆粒的質(zhì)量百分比濃度為 O. 5 I. 5%。
9.如權(quán)利要求I所述的膠體光子晶體中可控線缺陷的制備方法，其特征在于，所述 TiO2納米棒的直徑為所述顆粒粒徑的O. 2 I倍。
10.如權(quán)利要求I所述的膠體光子晶體中可控線缺陷的制備方法，其特征在于，靜置所述容器的時(shí)間為I 2周。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種膠體光子晶體中可控線缺陷的制備方法，該方法包括如下步驟分布密度可控地制備TiO2納米棒陣列；將膠體狀態(tài)的顆粒分散在分散介質(zhì)中制備分散液；將所述TiO2納米棒陣列放入容器中，使得TiO2納米棒的朝向?yàn)樨Q直向上；將所述分散液加入到盛有所述TiO2納米棒陣列的所述容器中；以及靜置所述容器使膠體狀態(tài)的顆粒自由沉降得到具有可控線缺陷的光子晶體。所述方法能夠制備具有線缺陷的光子晶體，且線缺陷的分布密度可控。通過(guò)調(diào)節(jié)TiO2納米棒陣列中TiO2納米棒的分布密度即可控制光子晶體中線缺陷的分布密度。所述方法制備工藝簡(jiǎn)單，效率高，成本低。
文檔編號(hào)C30B5/00GK102605416SQ20121003798
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月17日
發(fā)明者富鳴, 張輝, 徐驍龍 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)