SiO-,2-光子晶體的自組裝制備及其光子帶隙性質(zhì)研究.pdf

1、光子晶體是一種具有光子帶隙的周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，落在光子帶隙中的光將不能傳播。光子晶體由于具有獨(dú)特的調(diào)節(jié)光子傳播狀態(tài)的功能，成為實(shí)現(xiàn)光通訊和光子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)，是信息功能材料研究的前沿領(lǐng)域。 目前，光子晶體的制備是發(fā)展光子晶體的關(guān)鍵，而可見光和近紅外波段光子晶體的制備更是難點(diǎn)。將亞微米級單分散顆粒實(shí)現(xiàn)三維有序聚集組裝成膠體晶體是制備可見光和近紅外波段光子晶體的有效方法。 本論文采用單分散SiO<,2>膠體球作為膠體光子晶體的

2、組成基元，通過丁二酸酯化改性提高SiO<,2>膠體球的表面電荷密度和球間靜電排斥作用，運(yùn)用垂直沉積法在水溶液中自組裝得到可見光和近紅外波段的SiO<,2>光子晶體，并探討了具有雙尺寸分布SiO<,2>膠體球的成核和生長機(jī)理及其組裝。通過x射線衍射分析儀(XRD)、傅立葉紅外光譜儀(FT-IR)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線光電子能譜儀(XPS)、Zeta電位、紫外-可見-近紅外(UV/Vis/NIR)透射光譜等分析測試手段對制備的材

3、料、膠體晶體的結(jié)構(gòu)與性能及它們之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律進(jìn)行了表征和研究。 利用經(jīng)典St6ber法，在乙醇介質(zhì)中，以氨作催化劑，正硅酸乙酯(TEOS)為硅源，通過TEOS的水解和縮聚反應(yīng)制備單分散SiO<,2>球形顆粒。主要研究了TEOS及催化劑氨水的量對于SiO<,2>膠體球粒徑大小和粒徑偏差的影響。XRD分析表明所合成的Si02膠體球?yàn)闊o定形態(tài)。FT-IR結(jié)果表明SiO<,2>膠體球表面富含羥基，為接枝丁二酸進(jìn)行化學(xué)改性奠定基礎(chǔ)。SEM

4、結(jié)果顯示所合成的SiO<,2>膠體球粒徑在292～473nm范圍內(nèi)、粒徑相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5.0％，隨氨水量增加，SiO<,2>膠體球的粒徑逐漸變大，且粒徑偏差減小，同樣增加TEOS的量也可以得到粒徑大且粒徑偏差小的SiO<,2>膠體球。 為了提高SiO<,2>膠體球的表面電荷密度和球間靜電排斥作用，將丁二酸通過酯化反應(yīng)化學(xué)鍵合到SiO<,2>球表面上。FT-IR和XPS結(jié)果證明丁二酸一端的羧基與SiO<,2>膠體球表面的羥基發(fā)生

5、了酯化反應(yīng)。Zeta電位和標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉滴定測試結(jié)果顯示，經(jīng)丁二酸表面改性后，SiO<,2>膠體球在水溶液中的Zeta電位從-53.72mV提高到-67.46mV，表面電荷密度從0.1μC/cm<'2>提高到0.94μC/cm<'2>，提高了將近5倍。以粒徑為292nm和473nm的SiO<,2>膠體球?yàn)榻Y(jié)構(gòu)基元，采用垂直沉積法在水溶液中組裝可見光和近紅外波段的SiO<,2>膠體光子晶體。利用SEM觀察膠體晶體的形貌、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和缺陷情況，

6、利用UV/Vis/NIR透射光譜研究膠體晶體的不完全光子帶隙效應(yīng)。討論了丁二酸改性、懸濁液濃度、膠體球粒徑、組裝溫度、pH值、熱處理溫度、入射光角度對所得到的SiO<,2>膠體晶體形貌和光子帶隙的影響。結(jié)果表明：對比未改性的SiO<,2>膠體球，丁二酸改性的SiO<,2>膠體球形成的膠體晶體有序性更好，相應(yīng)的帶隙深且窄；所得到的SiO<,2>膠體晶體為fcc周期結(jié)構(gòu)，表面為(111)晶面，呈正六邊形排列，在膠體晶體中存在裂紋、空位、位錯

7、等缺陷；膠體晶體的厚度直接依賴于懸濁液的濃度，隨濃度增加，膠體晶體的層數(shù)相應(yīng)增加，懸濁液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3％時(shí)可得到質(zhì)量較好的SiO<,2>膠體晶體；膠體球粒徑的大小在透射光譜中表現(xiàn)為帶隙中心位置的不同，且符合布拉格定律，對于粒徑為292nm和473nm的SiO<,2>膠體球，相應(yīng)的光子帶隙位置分別在604nm和1047nm處，而且隨著入射光和膠體晶體表面法線方向的夾角變大，光子帶隙發(fā)生藍(lán)移，說明SiO<,2>膠體晶體的光子帶隙為贗帶隙；

8、沉積溫度和pH值對膠體晶體的影響較大，溫度為40℃和pH值為7.0時(shí)，可得到最為緊密的六方排列形式；經(jīng)過熱處理后的SiO<,2>膠體晶體結(jié)構(gòu)更為致密，缺陷減少，光子帶隙發(fā)生藍(lán)移，且變窄和加深。 在制備單分散SiO<,2>膠體球的反應(yīng)體系中引入NaCl電解質(zhì)，發(fā)現(xiàn)了SiO<,2>膠體顆粒的雙尺寸分布現(xiàn)象。合理的解釋了雙尺寸分布SiO<,2>膠體顆粒產(chǎn)生的原因，提出了雙尺寸分布的SiO<,2>膠體顆粒的成核和生長機(jī)理。并利用所得到的