雙尺寸超材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及自組裝.pdf

1、超材料的制備方法包括精細(xì)加工法和自組裝法，由于精細(xì)加工法具有設(shè)備昂貴、工藝復(fù)雜的缺點(diǎn)，不利于其推廣應(yīng)用。采用納米、亞微米或微米級(jí)的球形顆粒進(jìn)行自組裝的方法是合成具有密堆積結(jié)構(gòu)的膠體晶體的有效途徑。目前，大部分研究集中于單尺寸膠體晶體的制備，所得到的結(jié)構(gòu)往往局限于面心立方結(jié)構(gòu)（fcc）和六方密堆結(jié)構(gòu)（hcp）。自首次在巴西本士蛋白石中發(fā)現(xiàn)雙尺寸晶格，雙尺寸超材料結(jié)構(gòu)的制備備受關(guān)注。
　　由二氧化硅膠體球自組裝而形成的超材料結(jié)構(gòu)，由于

2、本身結(jié)構(gòu)存在的缺陷及二氧化硅較低的介電常數(shù)，其應(yīng)用受到限制。提高二氧化硅膠體球的表面荷電可有效地減少超材料結(jié)構(gòu)中的缺陷，使超材料結(jié)構(gòu)周期性排列更為有序，從而改善其性能。含有其他高折射率材料的異質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)可提高周期性介電函數(shù)的變化幅度，從而提供新的性能。
　　本文通過不同 Stber工藝過程合成不同粒徑和形貌的SiO2膠體球，對(duì)三個(gè)Stber工藝進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)[TEOS]和[NH3]等工藝因素的影響及反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了探討。引入N

3、aCl為電荷控制劑對(duì)SiO2膠體球進(jìn)行表面荷電，以提高其 Zeta電位，探索了NaCl用量對(duì)SiO2膠體球的形貌、粒徑及 Zeta電位的影響。
　　采用垂直沉積法、雙基片法和電泳輔助提拉法制備了單尺寸 SiO2膠體晶體，并對(duì)其結(jié)構(gòu)和缺陷進(jìn)行了探討，分析了不同工藝、表面荷電、煅燒溫度、電壓及Zeta電位對(duì)膠體晶體形貌的影響。對(duì)LS2、LS4、LS6和LSx型雙尺寸超材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)及計(jì)算，并采用垂直沉積法制備出多種同質(zhì)雙尺寸超材料

4、結(jié)構(gòu)，研究了大小膠體球的粒徑比及體積比對(duì)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，對(duì)雙尺寸膠體晶體的生長(zhǎng)過程進(jìn)行了探討，研究了同質(zhì)雙尺寸超材料結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能。
　　采用Pechini溶膠-凝膠法制備了純相二氧化硅、鈦酸鋇和氧化鐵納米粉體，探索了絡(luò)合中間產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和熱處理過程，分析了pH值和煅燒溫度等工藝因素對(duì)納米粉體晶型、形貌和粒徑的影響規(guī)律。利用所制備的納米粉體材料自組裝制備了多種異質(zhì)雙尺寸超材料結(jié)構(gòu)，對(duì)超材料結(jié)構(gòu)的排列方式進(jìn)行分析，探討了納米粉體材料的

5、種類、填充材料制備工藝及填充方式對(duì)異質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)的影響，并探索了異質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)過程。
　　論文的主要工作成果如下：
　　1）采用三種不同的Stber工藝，通過改變反應(yīng)物濃度成功合成了粒徑分布均勻的單分散SiO2膠體球、芽型SiO2膠體球和雙尺寸SiO2膠體球，通過對(duì)三個(gè)工藝過程中不同反應(yīng)物濃度下所得SiO2膠體球的形貌及粒徑的比較分析，探索性地對(duì)SiO2膠體球形成機(jī)理進(jìn)行了分析，獲得可用于超材料結(jié)構(gòu)制備用膠體球的制備工

6、藝。
　　2）采用NaCl改性 SiO2膠體球，獲得粒徑為443～701nm的單分散SiO2膠體球，在相同TEOS和氨水的濃度下，與未改性SiO2膠體球相比，NaCl改性SiO2膠體球的粒徑明顯增大，大大提高了SiO2膠體球的Zeta電位值，當(dāng)氨水體積為3.5mL時(shí)，Zeta電位值平均可提高12.34mV。分別采用垂直沉積法和雙基片法制備出六方排列SiO2膠體晶體，利用NaCl改性SiO2膠體球可獲得有序性更好的六方排列膠體晶體。

7、利用NaCl改性SiO2膠體球，采用電泳輔助提拉法不僅獲得了六方排列（111）結(jié)構(gòu)，也創(chuàng)新性地獲得了四方排列（100）膠體晶體，通過計(jì)算可知，所得四方排列膠體晶體表面為面心立方結(jié)構(gòu)的（100）晶面。
　　3）分別設(shè)計(jì)了LS2、LS4、LS6和LSx型雙尺寸超材料結(jié)構(gòu)，并對(duì)其大小球體積比和膠體球的空間占有率進(jìn)行了計(jì)算，利用兩種粒徑的SiO2膠體球，采用垂直沉積法制備出了LS2、LS4、LS6、LSx1和LSx2型雙尺寸超材料結(jié)構(gòu)，發(fā)

8、現(xiàn)大小膠體球的粒徑比及體積比是決定能否形成雙尺寸超材料結(jié)構(gòu)及其排列方式的主要影響因素，提出了雙尺寸膠體晶體的生長(zhǎng)過程，研究了同質(zhì)雙尺寸超材料結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)365/70nm（80:1）超材料結(jié)構(gòu)的帶隙中心波長(zhǎng)與 LS2型非密堆結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算值較為吻合，365/70nm（10:1）超材料結(jié)構(gòu)的帶隙中心波長(zhǎng)與 LSx型結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算值有一定的差距，這均由其膠體球的空間占有率所決定。
　　4）采用Pechini溶膠-凝膠法分別制備出

9、符合異質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)用的納米異質(zhì)材料，其中所得SiO2顆粒為非晶態(tài)的類球狀顆粒，平均粒徑分別約為10nm和20nm；所得 BaTiO3粉體為立方相，分別獲得20～30nm、40～60nm的類球狀顆粒以及20～130nm的類球狀和塊狀顆粒；所得Fe2O3粉體為純?chǔ)?Fe2O3相，所得形貌多樣，包括類球狀顆粒、類“珊瑚狀”板狀顆粒和多孔板狀顆粒，其中內(nèi)部小顆粒的粒徑為28～60nm。
　　5）利用Pechini溶膠-凝膠法制備的納米粉體