單分散SiO-,2-微球的改性制備及其光子晶體自組裝.pdf

1、光子晶體是指介電常數(shù)隨空間呈周期性變化的材料，存在光子帶隙，能夠調(diào)節(jié)光子的傳播狀態(tài)，是信息功能材料研究的前沿領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，發(fā)展光子晶體的關(guān)鍵是制備可見(jiàn)光和近紅外波段的光子晶體。自組裝法，即將亞微米級(jí)單分散顆粒實(shí)現(xiàn)三維有序聚集組裝的方法，是制備光子晶體最有效的方法。而自組裝法中，垂直沉積法是最方便有效的方法，但是這種方法要求顆粒表面具有較高的電荷密度，因此如何提高顆粒表面的電荷密度成為研究的熱點(diǎn)。
　　 采用單分

2、散SiO2微球作為組裝光子晶體的組成基元，分別以鈉離子和甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷（MPS）為改性劑，對(duì)SiO2微球進(jìn)行改性，提高微球的表面電荷密度、球間靜電排斥作用和在有機(jī)溶劑中的分散性，并采用垂直沉積法在無(wú)水乙醇溶液中自組裝制得可見(jiàn)光和近紅外波段的SiO2光子晶體。通過(guò)X射線衍射分析儀（XRD）、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）、能量色散譜儀（EDS）、Zeta電位儀、紫外-可見(jiàn)-近紅外（UV/Vis/NIR）吸收光譜儀、傅立葉紅

3、外光譜儀（FT-IR）、X射線光電子能譜儀（XPS）等分析測(cè)試手段對(duì)SiO2微球和SiO2光子晶體的顯微結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能和光學(xué)性能進(jìn)行了表征和研究，并對(duì)改性機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的討論。論文的主要研究成果如下。
　　 通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)Stober法，在乙醇介質(zhì)中，以氨作催化劑，正硅酸乙酯（TEOS）為硅源，利用TEOS的水解和縮聚反應(yīng)成功制備了粒徑在284nm～750nm范圍內(nèi)，單分散性較好，表面光滑的SiO2球形顆粒。主要研究了催化劑氨水和

4、硅源TEOS的用量對(duì)SiO2微球粒徑大小和粒徑偏差的影響：隨著氨水用量的增加，SiO2微球的粒徑逐漸變大，且粒徑偏差減小。同樣，在一定范圍內(nèi)增加TEOS的用量也可以得到粒徑大且粒徑偏差小的SiO2微球。
　　 為提高SiO2微球的表面電荷密度和球間靜電排斥作用，在改進(jìn)Stober法制備單分散SiO2微球的基礎(chǔ)上，向反應(yīng)體系中添加氯化鈉和金屬鈉，引入鈉離子，對(duì)SiO2微球進(jìn)行改性。EDS能譜分析表明，在合成的SiO2微球中含有鈉元

5、素，這說(shuō)明鈉離子參與了反應(yīng)，進(jìn)入了SiO2微球網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而增加了SiO2微球的雙電層厚度，最終導(dǎo)致SiO2微球Zeta電位明顯提高。Zeta電位測(cè)試結(jié)果顯示，經(jīng)鈉離子改性后，SiO2微球在無(wú)水乙醇溶液中的Zeta電位平均提高12.46mV，增加了20.5％。
　　 采用垂直沉積法在無(wú)水乙醇溶液中組裝出可見(jiàn)光和近紅外波段的SiO2光子晶體。利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）觀察SiO2光子晶體的顯微形貌和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用UV/

6、Vis/NIR吸收光譜儀研究SiO2光子晶體的光子帶隙效應(yīng)。結(jié)果表明：對(duì)比未改性的SiO2微球，鈉離子改性后的SiO2微球光子晶體有序性更好，相應(yīng)的帶隙深且窄；所得到的SiO2光子晶體為FCC周期結(jié)構(gòu)，表面為（111）晶面，呈正六邊形排列；SiO2微球粒徑的大小在吸收光譜中表現(xiàn)為帶隙中心位置的不同，且符合布拉格定律，對(duì)于經(jīng)氯化鈉和金屬鈉改性后粒徑為380nm和3.54nm的SiO2微球，相應(yīng)的光子帶隙位置分別在856nm和798nm處，

7、而且隨著入射光和光子晶體表面法線方向的夾角變大，光子帶隙發(fā)生藍(lán)移，說(shuō)明SiO2光子晶體的光子帶隙為贗帶隙。
　　 為提高SiO2微球在有機(jī)溶劑中的分散性，采用一步法，以甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷（MPS）為改性劑，對(duì)SiO2微球的表面進(jìn)行改性。傅立葉紅外光譜儀（FT-IR）和X射線光電子能譜儀（XPS）測(cè)試結(jié)果均表明制備出的SiO2微球表面接枝上了大量甲基丙烯酰氧基基團(tuán)，從而抑制了SiO2微球在無(wú)水乙醇溶液中的團(tuán)聚，有利于其組裝