磁响应Fe3O4 PVP SiO2胶体光子晶体的制备及光学性质

Applied Physics 应用物理, 2016, 6(4), 54-62 Published Online April 2016 in Hans. https://www.360docs.net/doc/d23500926.html,/journal/app https://www.360docs.net/doc/d23500926.html,/10.12677/app.2016.64008

文章引用: 韩平, 陈昌浩, 霍晓莉, 张文莹, 蒋文凤, 卢学刚, 梁工英. 磁响应Fe 胶体光子晶体的制备及

Synthesis and Optical Properties of Magnetically Responsive Fe 3O 4/PVP/SiO 2 Colloidal Photonic Crystals

Ping Han 1, Changhao Chen 1, Xiaoli Huo 2, Wenying Zhang 1, Wenfeng Jiang 1, Xuegang Lu 1*, Gongying Liang 1*

1MOE Key Laboratory for Non-Equilibrium Synthesis and Modulation of Condensed Matter, School of Science, Xi’an Jiaotong University, Xi’an Shaanxi 2Ganshan Management Office, Eastern Oil Pipeline Co., Ltd., Xi’an Shaanxi

Received: Apr. 3rd , 2016; accepted: Apr. 22nd , 2016; published: Apr. 25th

, 2016

Copyright ? 2016 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.360docs.net/doc/d23500926.html,/licenses/by/4.0/

Abstract Magnetic responsive colloidal photonic crystals have great potential to be used in color display, light swich etc. due to their performance of tunable photonic band-gap, fast response and easy prepara-tion. In this paper, a solvothermal method was used to prepare Fe 3O 4/PVP colloidal particles and the particles were then coated with SiO 2 by TEOS hydrolysis to form Fe 3O 4/PVP/SiO 2 composite particles. SEM and TEM results show that as-prepared Fe 3O 4/PVP/SiO 2 particles possess monodisperse cha- racteristics and the mean particle size is about 100 nm. VSM results show that Fe 3O 4/PVP/SiO 2 par-ticles have superparamagnetism and the saturation magnetization M s is about 26 emu/g. After ref-luxing treatment in water, the surface of Fe 3O 4/PVP/SiO 2 particles is negatively charged and the Zeta potential is ?48.3 mv. As-prepared Fe 3O 4/PVP/SiO 2 particles can be easily dispersed in acetonitrile to form stable suspensions. Under the magnetic field, the Fe 3O 4/PVP/SiO 2 suspension in acetonitrile displays bright structural color and tunable band-gap features. Keywords

Colloidal Photonic Crystal, Magnetic Response, Structural Color, Optical Property, Superparamagnetism

*通讯作者。

韩平等磁响应Fe3O4/PVP/SiO2胶体光子晶体的制备

及光学性质

韩平1，陈昌浩1，霍晓莉2，张文莹1，蒋文凤1，卢学刚1*，梁工英1*

1西安交通大学理学院，物质非平衡合成与调控教育部重点实验室，陕西西安

2中石油东部管道有限公司甘陕管理处，陕西西安

收稿日期：2016年4月3日；录用日期：2016年4月22日；发布日期：2016年4月25日

摘要

磁响应胶体光子晶体因其具有光子带隙可调、制备简便、响应速度快等特点，在彩色显示、光开关等领域有着重要的应用前景。本文首先采用溶剂热法制备出了Fe3O4/PVP胶体粒子，并利用正硅酸乙酯(TEOS)水解对其表面进行SiO2包覆，得到表面携带负电荷的Fe3O4/PVP/SiO2复合纳米胶体粒子。SEM和TEM测试结果表明，Fe3O4/PVP/SiO2具有单分散特征，平均粒径约为100 nm。VSM测试结果表明，胶体粒子具有超顺磁性，其饱和磁化强度约为26 emu/g。经进一步回流处理后，胶体粒子表面表现明显的负电荷属性，Zeta电势为?48.3 mV。所合成的Fe3O4/PVP/SiO2胶体粒子可在乙腈中均匀分散，所形成的胶体溶液在外加磁场的作用下表现出明亮的结构色，具有明显的磁场可调谐光子带隙特征。

关键词

胶体光子晶体，磁响应，结构色，光学性质，超顺磁性

1. 引言

近年来，超顺磁性胶体纳米粒子以其特殊磁学性质及在生物医学、电子信息等领域的潜在应用前景，受到人们的极大关注[1] [2]。其中，利用单分散超顺磁性胶体粒子作为结构单元在磁场作用下构筑磁响应型胶体光子晶体，成为当前该领域国内外研究热点之一。这种光子晶体因其具有组装速度快、光子带隙可调等特性，在彩色显示、民用涂装、印刷防伪、军事伪装等领域有着巨大的应用前景[3]-[10]。

截止目前，国内外研究者已就单分散超顺磁性胶体纳米粒子的制备及其组装形成光子晶体方面展开了深入研究。例如，Asher等人采用乳液聚合法，成功制备了粒径约为134 nm的单分散超顺磁性Fe3O4/PS 胶体粒子，这种胶体粒子由于表面携带电荷，可在水溶液中自组装形成晶态胶体阵列，并在外磁场作用下形成可调谐光子带隙特征[11]-[13]。Yin和Ge等人采用高温热解法制备了单分散超顺磁Fe3O4纳米晶团簇，由于聚丙烯酸的作用使得粒子表面存在大量羧基，因而可在水溶液中实现稳定分散，其在磁场作用下组装形成的光子晶体可在整个可见光波长范围内呈现光子带隙可调谐的特征[14] [15]。进一步发现用SiO2对Fe3O4纳米晶团簇进行表面改性并修饰烷基，可使光子晶体稳定地分散于烷醇类非极性有机溶剂中，并展现出光子带隙行为[16]。Chen等人利用以二茂铁为原料，采用溶解热法制备了粒径约为190 nm 的单分散Fe3O4/C胶体粒子，由于表面C包覆层的羧基化，使得胶体粒子表面带负电荷，在磁场作用下可组装形成带隙可调谐光子晶体[17]。

韩平等

磁场作用下磁性胶体粒子能否在溶液中组装形成光子晶体除了取决于胶体粒子的尺寸和单分散性外，还与粒子表面性质密切相关。溶液中的磁性胶体粒子在外场作用下由于磁偶极耦合及范德华力的作用，倾向于形成团聚体。为了平衡磁耦合力和范德华力，需要在磁性粒子间引入排斥力。这种排斥力的获得可通过空间位阻效应、表面活性剂对粒子的包覆或静电排斥作用来实现。所以，探索简便高效的单分散超顺磁性胶体粒子的有效制备途径，并通过表面改性增大粒子间的排斥力以平衡粒子间的引力，是磁性胶体光子晶体研究中需要解决的重要课题。

本文以FeCl3·6H2O为铁源，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为表面分散剂，采用溶剂热法制备了超顺磁性Fe3O4/PVP胶体粒子，并用改进的st?ber法对粒子进行SiO2包覆，获得了Fe3O4/PVP/SiO2核壳结构复合胶体粒子；通过进一步回流处理，借助Fe3O4/PVP/SiO2粒子表面硅烷基数量的增加提高粒子表面电荷密度。这种表面携带负电荷的胶体粒子可在磁场作用下迅速组装形成胶体光子晶体，其光子带隙可在整个可见光范围内进行调谐。

2. 实验方法

2.1. 主要试剂

六水合三氯化铁(FeCl3?6H2O)，无水乙酸钠(NaAc, 99%)，聚乙烯吡咯烷酮(PVP, K30)，葡萄糖(D-(+)-Glucose, C6H12O6)，乙二醇(EG, >99%)，乙腈(acetonitrile, 99.7%)。以上均购置于Aladdin公司。正硅酸乙酯(TEOS, >98%，天津市科密欧化学试剂有限公司)，无水乙醇(CH3CH2OH，分析纯，安徽安特食品股份有限公司出品)，氨水溶液(25%)，去离子水。

2.2. 单分散超顺磁Fe3O4/PVP胶体粒子的制备

采用溶剂热法制备Fe3O4/PVP单分散超顺磁胶体粒子。具体方法为：将3 g PVP(K30)、0.306 g葡萄糖(D-(+)-Glucose，C6H12O6)和30mL乙二醇加入100mL三颈瓶中，在100℃下强力搅拌0.5小时后冷却至室温。随后向三颈瓶中加入0.675 g FeCl3·6H2O，混合搅拌0.5小时形成透明的黄橙色溶液。然后向溶液中加入3.28g NaAc搅拌2小时。上述溶液随后转移至50 mL不锈钢反应釜中密封，放入加热炉中200℃保温12小时进行反应。随后冷至室温，得到的黑色分散液用去离子水和无水乙醇分别洗2~3次以去除反应物等杂质，最后将其放入真空干燥箱中50℃干燥待用。

2.3. 单分散超顺磁Fe3O4/PVP/SiO2复合胶体粒子的制备

称取50 mg上述方法得到的Fe3O4/PVP粒子分散于50 mL无水乙醇并转入100 mL三颈烧瓶中，超声30分钟；然后加入4 mL去离子水和2 mL氨水溶液，搅拌1小时充分混匀；用微量注射器量取0.2 mL 转至25 mL小烧杯中，再向烧杯里加入10 mL无水乙醇混合均匀，得到正硅酸乙酯(TEOS)的无水乙醇溶液。将此溶液用注射器逐滴滴加于上述搅拌中的三颈瓶中。搅拌反应6小时后，离心分离，用水和乙醇清洗三次，得到Fe3O4/PVP/SiO2复合胶体粒子。

2.4. Fe3O4/PVP/SiO2胶体粒子的回流改性

将上述制得的Fe3O4/PVP/SiO2胶体粒子分散于30 mL去离子水中，超声分散30 min后转至三颈瓶中继续搅拌，100℃下回流反应2小时，然后自然冷却至室温，用去离子水洗涤三次，最终得到表面硅烷基化的Fe3O4/PVP/SiO2复合胶体粒子。

2.5. 测试与表征

采用德国Bruker公司的d8-advance 3.0 X射线衍射仪(XRD)对样品进行物相分析；利用日本电子的

韩平等

JSM-7000F型扫描电子显微镜(SEM)进行微观形貌分析；用美国Lake Shore公司的振动样品磁强计(VSM)测试其磁性；利用英国马尔文公司的Zeta-sizer纳米粒度电位仪测试胶体粒子的表面电学性能；采用上海复享仪器设备有限公司的PG2000型高速光谱仪进行反射光谱测试。

3. 结果分析与讨论

图1(a)和图1(b)分别给出了Fe3O4/PVP与Fe3O4/PVP/SiO2胶体粒子的SEM照片。由图中可知，所合成的Fe3O4/PVP胶体粒子近似为球形，粒径约为100 nm，呈现典型的单分散特征。进一步分析发现，所合成的Fe3O4/PVP胶体粒子表面并不光滑，呈典型的分等级结构，每个胶体粒子由尺寸更小的纳米晶粒聚集而成。经SiO2包覆后，胶体粒子表面变得光滑，粒子的球形度和尺寸均匀程度进一步提高，Fe3O4/PVP/SiO2胶体粒子的平均粒径约为140 nm。图1(c)给出了Fe3O4/PVP/SiO2胶体粒子TEM照片。从图中可发现，胶体粒子成典型的核壳结构，Fe3O4/PVP粒子表面被SiO2均匀包覆，包覆层厚度约为20 nm。为了进一步验证SiO2包覆后的胶体粒子的相组成，对Fe3O4/PVP/SiO2粉体进行XRD分析，结果如图1(d)所示。从图中可看出，样品的衍射峰与尖晶石结构Fe3O4的(220)、(311)、(400)、(422)、(511)、(440)特征峰完全吻合，未检测出晶态SiO2的特征峰，说明所制得的氧化铁产物为尖晶石Fe3O4，且在与SiO2复合过程中Fe3O4的物相保持不变，同时表面SiO2以非晶态形式存在。根据(311)主衍射峰的半高宽，利用Debye-Scherrer公式计算得到Fe3O4晶粒尺寸为6.2 nm。

图2(a)和图2(b)分别为Fe3O4/PVP与Fe3O4/PVP/SiO2胶体粒子的FT-IR红外谱图。图2(a)中波数为572.8 cm?1处的峰对应Fe3O4中的Fe-O特征峰；波数为1662.6 cm?1和1292.3 cm?1处的征峰分别对应PVP 分子的?C=O的伸缩振动和?C?N?伸缩振动，说明Fe3O4表面确实存在PVP；波数为3761.1 cm?1附近为游离羟基的伸缩振动峰，3022.4 cm?1和1550.7 cm?1处分别对应羟基-OH的伸缩振动峰和弯曲振动峰，相比较于传统羟基，特征峰移向低波数且峰变宽，这是由于Fe3O4和PVP分子之间的氢键结合会限制其他红外吸收化学键的振动，振动频率降低，谱带移向低频区，峰型变宽所致。由图2(b)可发现，Fe3O4/PVP 表面包覆SiO2后，Fe-O特征峰从572.8 cm?1处移动到了586.3 cm?1附近，发生了“红移”。波数为800.4 cm?1附近和470.6 cm?1处分别为对应Si-O键的对称伸缩振动和弯曲振动峰，在1084.0 cm?1处出现的明显不同于图中Fe3O4红外谱图的新的吸收峰则是Si-O键的反对称伸缩振动谱带。这一结果进一步说明Fe3O4/PVP表面的包覆层为SiO2。

图3(a)~(c)分别为Fe3O4/PVP、Fe3O4/PVP/SiO2和经回流处理过的Fe3O4/PVP/SiO2胶体粒子的表面zeta 电位分布图。由图可知，Fe3O4/PVP的zeta电位为?6.95 mV，说明PVP修饰的Fe3O4胶体粒子表面几乎不带电，近似于电中性。经表面SiO2包覆后，由于表面硅烷醇基的出现，使得胶体粒子表面携带一定的负电荷，其zeta电位下降为?25.8 mV。进一步将Fe3O4/PVP/SiO2粒子在沸水中回流处理后，由于沸水对SiO2表面的刻蚀，使其表面的硅烷醇基数量显著增加，从而使得粒子表面电荷密度进一步增加，其zeta 电位下降为?48.3 mV。胶体粒子表面的高电荷密度有利于增大粒子间的静电斥力，从而有助于胶体粒子组装形成光子晶体。

用VSM对样品的磁性进行测试分析，结果如图4所示。图4分别为Fe3O4/PVP和Fe3O4/PVP/SiO2胶体粒子的磁滞回线。从图中可以看出，Fe3O4/PVP和Fe3O4/PVP/SiO2胶体粒子均表现出典型的超顺磁性，矫顽力为零，且无剩磁现象。其中，Fe3O4/PVP胶体粒子的饱和磁化强度为50 emu/g，Fe3O4/PVP/SiO2粒子的饱和磁化强度约为26 emu/g。样品超顺磁特性的产生是由于Fe3O4 纳米晶粒的尺寸小于超顺磁临界尺寸，磁性纳米粒子中磁晶各向异性能小于或与磁矩热扰动能相当，磁矩的自发磁化方向无法固定在某一个方向，易磁化方向也做不规则变化，从而导致粒子呈现超顺磁状态。Fe3O4/PVP/SiO2胶体粒子的这一超顺磁特性有利于胶体粒子在磁场作用下的可逆响应。

韩平等

Figure 1.(a) SEM image of Fe3O4/PVP colloidal particles, (b) SEM

image of Fe3O4/PVP/SiO2 colloidal particles, (c) TEM image of Fe3O4/

PVP/SiO2 colloidal particles, (d) XRD results of Fe3O4/PVP/SiO2 col-

loidal particles

图1. (a) Fe3O4/PVP胶体粒子的SEM照片，(b) Fe3O4/PVP/SiO2

胶体粒子的SEM照片，(c) Fe3O4/PVP/SiO2胶体粒子的TEM照

片及，(d) Fe3O4/PVP/SiO2胶体粒子的XRD结果

(a)

(b)

Figure 2. FT-IR spectrum of (a) Fe3O4/PVP and

(b) Fe3O4/PVP/ SiO2 colloidal particles

图2. (a) Fe3O4/PVP与(b) Fe3O4/PVP/SiO2胶体

粒子的FT-IR谱图

将回流处理后的Fe3O4/PVP/SiO2胶体粒子超声分散于乙腈中，浓度约为10 mg/mL，并将分散后的溶液置于磁场中，观察其结构色的变化，并用光纤光谱仪测量其反射光谱，结果如图5所示。从图中可知，Fe3O4/PVP/SiO2分散于乙腈中所形成的胶体溶液在外加磁场作用下显示出明亮的结构色，通过改变磁场

韩平等

Figure 3.Zeta potential of (a) Fe3O4/PVP, (b) Fe3O4/PVP/SiO2and (c)

Fe3O4/PVP/p-SiO2 particles under reflux

图3. 胶体粒子的Zeta电位分布图：(a) Fe3O4/PVP，(b) Fe3O4/PVP/SiO2，

Figure 4.Hysterisis loops of (a) Fe3O4/PVP and (b) Fe3O4/PVP/SiO2

colloidal particles

图4. (a) Fe3O4/PVP与(b) Fe3O4/PVP/SiO2胶体粒子的磁滞回线

韩平等

强度，结构色随之变化并覆盖整个可见光区。反射光谱测量结果也表明，随着外加磁场强度的增大，反射峰逐渐向波长减小的方向移动，反射峰所对应的光波波长由最初的760 nm逐渐减小为620 nm左右，光子带隙可在近140 nm的波长范围内进行可逆调谐。这种光子带隙的可调谐特性是由于磁性胶体粒子间的相对距离在外磁场作用下发生可逆变化所致。随着外加磁场的变化，磁性粒子间的距离，特别是平行于磁场方向的粒子间距离发生变化，从而使得通过布拉格衍射产生的带隙特征随之发生变化。

Fe3O4/PVP/SiO2胶体粒子之所以能在外加磁场作用产生光子带隙行为、显现结构色，是由于表面携带电荷的磁性胶体粒子在磁场作用下倾向于在溶液中规则排列形成晶体结构所致。Fe3O4/PVP/SiO2胶体粒子在溶液中的规则排列，与其在不同方向上受到的吸引力和排斥力有关。首先，超顺磁性胶体粒子在外加磁场作用下会沿着磁力线方向产生磁偶极矩。相邻胶体粒子之间的偶极间作用力在垂直于外磁场方向表现为斥力，在平行于外磁场方向表现为吸引力。这种不同方向的引力和斥力以及粒子间的静电排斥力相互协同作用并达到平衡，使得磁性粒子沿磁场方向组装为有序链状结构，并通过布拉格衍射形成光子带隙特征，如图6所示。

Figure 5.Reflection spectra and structural color of Fe3O4/PVP/SiO2

colloidal suspension under magnetic field

图5. Fe3O4/PVP/SiO2胶体溶液在外磁场作用下的反射光谱及结构色

Figure 6. The interaction between Fe3O4/PVP/SiO2 colloidal particles and the resulting regu-

lar arrays

图6. 外场作用下Fe3O4/PVP/SiO2胶体粒子间的相互作用力以及粒子的规则排列

韩平等4. 结论

本文采用溶剂热法制备了超顺磁性Fe3O4/PVP胶体粒子，并用改进的st?ber法对粒子进行SiO2包覆，得到表面携带负电荷的Fe3O4/PVP/SiO2核壳结构胶体粒子。通过进一步回流处理，借助Fe3O4/PVP/SiO2粒子表面硅烷基数量的增加提高了粒子表面电荷密度，其Zeta电势为?48.3 mV。所合成的Fe3O4/PVP/SiO2胶体粒子可在乙腈中均匀分散，所形成的胶体溶液在外加磁场的作用下表现出明亮的结构色，具有明显的磁场可调谐光子带隙特征。这种光子带隙可磁场调谐的胶体光子晶体在彩色显示、民用涂装、印刷防伪、军事伪装等领域有着巨大的应用前景。

基金项目

国家自然科学基金项目(No. 51172178)资助。

参考文献(References)

[1]Zhang, L., Dong, W.-F. and Sun, H.-B. (2013) Multifunctional Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles: Design,

Synthesis and Biomedical Photonic Applications. Nanoscale, 5, 7664-7684. https://www.360docs.net/doc/d23500926.html,/10.1039/c3nr01616a [2]Jeong, U., Teng, X., Wang, Y., Yang, H. and Xia, Y. (2007) Superparamagnetic Colloids: Controlled Synthesis and

Niche Applications. Advanced Materials, 19, 33-60. https://www.360docs.net/doc/d23500926.html,/10.1002/adma.200600674

[3]Liu, J., Mao, Y. and Ge, J. (2012) The Magnetic Assembly of Polymer Colloids in a Ferrofluid and Its Display Appli-

cations. Nanoscale, 4, 1598-1605. https://www.360docs.net/doc/d23500926.html,/10.1039/c2nr12024k

[4]Kim, H., Ge, J., Kim, J., Choi, S., Lee, H., Lee, H., Park, W., Yin, Y. and Kwon, S. (2009) Structural Colour Printing

Using a Magnetically Tunable and Lithographically Fixable Photonic Crystal. Nature Photonics, 3, 534-540.

https://www.360docs.net/doc/d23500926.html,/10.1038/nphoton.2009.141

[5]Hu, H., Chen, Q.-W., Tang, J., Hu, X.-Y. and Zhou, X.-H. (2012) Photonic Anti-Counterfeiting Using Structural Col-

ors Derived from Magneticresponsive Photonic Crystals with Double Photonic Bandgap Heterostructures. Journal of Materials Chemistry, 22, 11048-11053. https://www.360docs.net/doc/d23500926.html,/10.1039/c2jm30169e

[6]Wang, X.-Q., Wang, C.-F., Zhou, Z.-F. and Chen, S. (2014) Robust Mechanochromic Elastic One-Dimensional Pho-

tonic Hydrogels for Touch Sensing and Flexible Displays. Advanced Optical Materials, 2, 652-662.

https://www.360docs.net/doc/d23500926.html,/10.1002/adom.201300538

[7]Hu, H., Chen, C. and Chen, Q. (2013) Magnetically Controllable Colloidal Photonic Crystals: Unique Features and In-

triguing Applications. Journal of Materials Chemistry C, 1, 6013-6030. https://www.360docs.net/doc/d23500926.html,/10.1039/c3tc30657g

[8]Ge, J., Kwon, S. and Yin, Y. (2010) Niche Applications of Magnetically Responsive Photonic Structures. Journal of

Materials Chemistry, 20, 5777-5784. https://www.360docs.net/doc/d23500926.html,/10.1039/c0jm00083c

[9]Wang, H., Chen, Q.-W., Sun, Y.-B. and He, M.-Y. (2010) Synthesis of Superparamagnetic Colloidal Nanochains as

Magnetic-Responsive Bragg Reflectors. The Journal of Physical Chemistry C, 114, 19660-19666.

https://www.360docs.net/doc/d23500926.html,/10.1021/jp1081752

[10]Hu, H., Tang, J., Zhong, H., Xi, Z., Chen, C. and Chen, Q. (2013) Invisible Photonic Printing: Computer Designing

Graphics, UV Printing and Shown by a Magnetic Field. Scientific Reports, 3, 1484-1489.

https://www.360docs.net/doc/d23500926.html,/10.1038/srep01484

[11]Xu, X., Friedman, G., Humfeld, K.D., Majetich, S.A. and Asher, S.A. (2002) Synthesis and Utilization of Monodis-

perse Superparamagnetic Colloidal Particles for Magnetically Controllable Photonic Crystals. Chemistry of Materials, 14, 1249-1256. https://www.360docs.net/doc/d23500926.html,/10.1021/cm010811h

[12]Xu, X., Friedman, G., Humfeld, K.D., Majetich, S.A. and Asher, S.A. (2001) Superparamagnetic Photonic Crystals.

Advanced Materials, 13, 1681. https://www.360docs.net/doc/d23500926.html,/10.1002/1521-4095(200111)13:22<1681::aid-adma1681>3.0.co;2-g [13]Xu, X., Majetich, S.A. and Asher, S.A. (2002) Mesoscopic Monodisperse Ferromagnetic Colloids Enable Magnetically

Controlled Photonic Crystals. Journal of the American Chemical Society, 124, 13864-13868.

https://www.360docs.net/doc/d23500926.html,/10.1021/ja026901k

[14]Ge, J., Hu, Y., Biasini, M., Beyermann, W.P. and Yin, Y. (2007) Superparamagnetic Magnetite Colloidal Nanocrystal

Clusters. Angewandte Chemie International Edition, 46, 4342-4345. https://www.360docs.net/doc/d23500926.html,/10.1002/anie.200700197

[15]Ge, J., Hu, Y. and Yin, Y. (2007) Highly Tunable Superparamagnetic Colloidal Photonic Crystals. Angewandte Che-

mie International Edition, 46, 7428-7431. https://www.360docs.net/doc/d23500926.html,/10.1002/anie.200701992

韩平等

[16]Ge, J., He, L., Goebl, J. and Yin, Y. (2009) Assembly of Magnetically Tunable Photonic Crystals in Nonpolar Solvents.

Journal of the American Chemical Society, 131, 3484-3486. https://www.360docs.net/doc/d23500926.html,/10.1021/ja809772v

[17]Wang, H., Sun, Y.-B., Chen, Q.-W., Yu, Y.-F. and Cheng, K. (2010) Synthesis of Carbon-Encapsulated Superpara-

magnetic Colloidal Nanoparticles with Magnetic-Responsive Photonic Crystal Property. Dalton Transactions, 39, 9565-

9569. https://www.360docs.net/doc/d23500926.html,/10.1039/c0dt00621a

实验二溶胶的制备与性质实验报告

实验二溶胶的制备与性质实验报告篇一：Fe3溶胶制备纯化及性质实验报告溶胶的制备、纯化及稳定性研究 1、实验背景胶体现象无论在工农业生产中还是在日常生活中，都是常见的问题。为了了解胶体现象，进而掌握其变化规律，进行胶体的制备及性质研究实验很有必要。氢氧化铁胶体因其制备简单、带有颜色和稳定性好等特点被广泛应用于大学物理化学实验中，并且是高中化学中的一个重要实验。但是采用电泳方法测定溶胶的电动电势（ζ）却是始终是一个难点，因为溶胶的电泳受诸多因素影响如：溶胶中胶粒形状、表面电荷数量、溶剂中电解质的种类、离子强度、PH、温度和所加电压。

2、实验要求了解制备胶体的不同方法，学会制备Fe3溶胶。实验观察胶体的电泳现象，掌握电泳法测定胶体电动电势的技术。探讨不同外加电压、电泳时间、溶胶浓度、辅助液的pH值等因素对Fe3溶胶电动电势测定的影响。探讨不同电解质对所制备Fe3溶胶的聚沉值,掌握通过聚沉值判断溶胶荷电性质的方法。二、实验部分 1.实验原理溶胶的制备方法可分为分散法和凝聚法。分散法是用适当方法把较大的物质颗粒变为胶体大小的质点，如机械法，电弧法，超声波法，胶溶法等；凝聚法是先制成难溶物的分子的过饱和溶液，再使之相互结合成胶体粒子而得到溶胶，如物质蒸汽凝结法、变换分散介质法、化学反应法等。Fe3溶胶的制备就是采用化学反应法使生成物呈过饱和状

态，然后粒子再结合成溶胶。在胶体分散系统中，由于胶体本身电离，或胶体从分散介质中有选择地吸附一定量的离子，使胶粒带有一定量的电荷。显然，在胶粒四周的分散介质中，存在电量相同而符号相反的对应离子。荷电的胶粒与分散介质间的电位差，称为ξ电位。在外加电场的作用下，荷电的胶粒与分散介质间会发生相对运动。胶粒向正极或负极（视胶粒荷负电或正电而定）移动的现象，称为电泳。同一胶粒在同一电场中的移动速度由ξ电位的大小而定，所以?电位也称为电动电位。测定ξ电位，对研究胶体系统的稳定性具有很大意义。溶胶的聚集稳定性与胶体的ξ电位大小有关，对一般溶胶，ξ电位愈小，溶胶的聚集稳定性愈差，当ξ电位等于零时，溶胶的聚集稳定性最差。所以，无论制备胶体或破坏胶体，都需要了解所研究胶体的ξ电位。原则上，任

实验六胶体溶液的制备与性质

韩山师院化学系化学专业物理化学实验课实验报告实验六胶体溶液的制备与性质实验目的：了解水溶胶的制备方法及胶体溶液的一些性质。实验原理：分散相的粒子直径在10-9~10-7m之间的分散物系叫做胶体。胶体物系的制备方法有两种：一种是分散法，使粒子较大的物质分散成胶体物系；另一种是凝聚法，使溶质分子原子或者离子自行结合成胶粒大小而形成溶胶。本实验利用凝聚法制备Fe(OH)3溶胶和MnO2溶胶。通常溶胶都具有比较稳定性质，如可以在密闭条件下保持比较长的时间而不会产生沉淀，原因在于胶粒具有一定的ζ电位和溶剂化膜，故当加入一定的电解质时，胶粒电性相反的溶胶或其它物质使ζ电位降低，溶剂化膜变薄时，胶体变得不稳定并发生聚沉。本实验研究正溶胶Fe(OH)3和负溶胶MnO2的这些性质及渗析作用。实验用品：仪器：酸式滴定管（50mL）、试管15支、烧杯（25mL×2，100mL×1）、量筒（100mL×1，50mL×1,10mL×1）丁达尔现象观察筒、试管架、锥形瓶（250mL×6）、移液管（25mL×1，2mL×2，1mL×4）玻璃棒、吸量管（10mL×1、2mL×2，1mL×1）、酒精灯、三脚架。试剂：1mol/L盐酸、0.1mol/L KMnO4溶液、2.5mol/L KCl溶液、5% 氨水、0.01mol/L K2CrO4溶液、10% FeCl3溶液、1% H2O2溶液、0.001mol/L K3[Fe（CN）6]溶液、1mol/L Na2S2O3溶液实验内容及其现象记录：

问题与讨论： 1、用量筒量取190mL蒸馏水进行加热一定要沸腾后才能逐滴加入10mL10% FeCl3溶液。 2、在制取MnO2溶胶时，滴加H2O2时一定要慢慢滴加，充分搅拌，否则会产生沉淀，当用玻棒醮取该溶液点于滤纸时把滤纸染为粉红色，应注意要求外围的一小圈为粉红色，中间大部分是黄褐色，否则还得继续滴加1% H2O2溶液。 3、在做KCl 、K2CrO 4、K3[Fe（CN）6]溶液对Fe(OH)3溶胶的聚沉作用的实验中要求每次混浊程度应一样，可用一瓶不加电解质的原始溶液来比较，以后的各瓶就可以这一瓶作为参照来得到满意的实验结果。

土壤胶体.

第一章绪论土壤土壤是在地球表面生物、气候、母质、地形、时间等因素综合作用所形成能够生长植物的、处于永恒变化中的疏松矿物质与有机质的混合物。陆地表层—位置；疏松—物理状态；能够产生植物收获—土壤的本质。土壤肥力土壤在植物生长发育整个过程中，同时而又不断地满足和协调植物对水分，空气，养料和热量等要求的能力。四大肥力因子：水、肥、气、热有效肥力在生产中反应出经济效果的那部分肥力。潜在肥力还没有在生产中反映出经济效果的那部分肥力。土壤生产力土壤在其土壤肥力、环境条件和人为因素的综合作用下所能产生的经济效益土壤肥力与土壤生产力的联系与区别：土壤生产力由土壤本身的肥力属性（基础，内因）和发挥肥力作用的外界条件（外因）所决定的。从这个意义上来看，肥力只是生产力的基础，而不是生产力的全部。肥力因素基本相同的土壤，如果处在不同的环境条件下，其表现出来的生产力彼此可能相差很大。土壤三相物质组成固相——矿物质和有机质液相——土壤液体气相——土壤气体第二章矿物质风化作用，原生矿物，次生矿物

风化作用：岩石在地表受到种种外力作用，逐渐破碎成为疏松物质，这一过程叫做风化作用。所产生的疏松物质就是土壤母质。原生矿物—直接来源于母岩的矿物，其中岩浆岩是其主要来源；在风化过程中没有改变化学组成的原始成岩矿物，如石英、长石、云母等。次生矿物—在风化过程中新形成的矿物。如高岭石，蒙脱石、氧化铝等。土壤中的原生矿物类型和特性： 1、长石类矿物：正长石，又称钾长石，是土壤中钾元素的重要来源。 2、云母类：白云母，又称钾云母，是土壤中钾元素的来源之一。黑云母也是钾元素的来源，更易分解，风化。 3、角闪石与辉石类矿物：含盐基丰富，化学稳定性低，容易被彻底分解。 4、石英矿物：不易风化，是土壤中砂粒的主要来源。 5、氧化铁类矿物：赤铁矿（Fe2O3），常使土壤染成红色；磁铁矿（Fe3O4），具磁性。黄铁矿（FeS2），分解后形成硫酸盐。 6、磷酸盐类矿物：磷灰石是制造磷肥的主要原料，是植物磷元素的主要来源。 7、方解石（CaCO3）：方解石是土壤中碳酸钙的主要来源。 8、褐铁矿（Fe2O3·3H2O）：由赤铁矿水化形成的一种含水氧化铁，是土壤黄色和棕色染色剂。母质 1、成土母质：矿物岩石经各种风化作用后形成的疏松多孔体 2、土壤母质与岩石和土壤相比，有很大区别。母质有别于岩石，其颗粒小，单位体积或单位质量的表面积增大，颗粒间多孔隙，疏松，有一定的透水性、通气性及吸附性能。母质所具有的这些肥力因素还远远不能满足植物的需要。 3、母质类型岩石矿物风化形成的母质，有的就地堆积，但大多数是在重力、水流、风力、冰川等外力的作用下搬运到其他地方，形成各种沉积物，有的甚至经过多次搬运沉积。按风化物搬运动力与沉积特点的不同，可将成土母质分为以下8种类型：残积物粒级：石砾，砂粒，粉粒，粘粒粒级（粒组）：根据土粒大小和性质，将其分成若干组，称土壤粒级或粒组。

2019-2020年高中化学必修一说课稿：2-1-1胶体的制备及其性质

2019-2020年人教版高中化学必修一说课稿：2-1-1 胶体的制备及其性质一、教材分析本节教学内容选自人教版普通高中课程标准实验教科书必修《化学1》第二章《化学物质及其变化》第一节《物质的分类》。本节课是以学生初中学习的纯净物、混合物、溶液和浊液等知识为基础，提倡学生从原有的知识出发，在介绍了纯净物与混合物的基础上引入胶体的概念。本节的探究学习，既有助于巩固初中所学的内容，也对有效地进行高中阶段的化学学习具有承前启后的作用，在学习和研究化学当中具有不可替代的作用。因此，本节课在全书中占有特殊的地位和具有重要的功能，是高中化学的教学重点之一。二、学情分析由于教学对象是刚上高中的专业生，初中知识很薄弱，对化学的要求只是学业考试，从思想上对化学的重视程度不够。三、设计思路我准备通过用与生活息息相关的例子激发学生对化学学科的学习兴趣，进而提高学生对化学学科的重视程度，通过鼓励学生主动与教师、同学交流，形成较浓的学习气氛，进而培养学生自主探究合作学习的习惯。四、教学目标根据教学大纲的要求和编写教材的意图，结合本节课的特点和学生的实际情况确定了如下教学目标：知识与技能：（1）了解什么是胶体（2）了解胶体与其它分散系的区别（3）了解胶体的制备、性质与用途过程与方法：（1）运用观察法、实验探究法学习胶体的性质与用途（2）通过创设问题情境，自由讨论，形成探究、合作的科学学习方式（3）体会分析、归纳、推理的方法在知识学习中的作用情感态度与价值观：（1）在自主探究过程中，体验活动探究的乐趣，增强学习化学、探究物质变化奥秘的兴趣。（2）重视化学学科与生活实际的联系性，体验化学学

光子晶体及其器件的研究进展

深圳大学研究生课程论文题目光子晶体及其器件的研究进展成绩专业课程名称、代码年级姓名学号时间2016年12月任课教师

子晶体及其器件的研究进展摘要：光子晶体是一种具有光子带隙的新型材料，通过设计可以人为调控经典波的传输。由于光子晶体具有很多新颖的特性，使其成为微纳光子学和量子光学的重要研究领域。随着微加工技术的进步和理论的深入研究，光子晶体在信息光学以及多功能传感器等多个学科中也得到了广泛应用。本文介绍了光子晶体及其特征，概述了光子晶体器件的设计方法和加工制作流程，论述现阶段发展的几种光子晶体器件，并对光子晶体器件的发展趋势做了展望。关键词：光子晶体；光子晶体的应用；发展趋势 Research progress of photonic crystals and devices Abstract：Photonic crystal is a new material with photonic band gap, which can regulate the transmission of classical wave artificially. Because it has many novel properties of photonic crystal, which is becoming an important research field of micro nano Photonics and quantum optics. With the progress of micro machining technology and theoretical research, photonic crystals have been widely used in many fields such as information optics and multifunction sensors. This paper introduces the photonic crystals and its characteristics, summarizes the design method and process of the photonic crystal devices in the production process, discusses several kinds of photonic crystal devices at this stage of development, and the development trend of photonic crystal devices is prospected. Key words：Photonic crystal; application of photonic crystal; development trend 1引言在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路，推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。目前半导体技术正向着高速化和高集成化方向的发展，不可避免地引发了一系列问题。当信息处理的频率和信号带宽越来越高时，通过金属线传输电子会带来难以克服的发热问题和带宽限制；而线宽减小到深纳米尺度时，相邻导线的量子隧穿效应成为电子器件发展的重要瓶颈。这迫使人们越来越关注光信息处理技术，并尝试用光器件来替代部分传统电子器件，以突破上述瓶颈限制。实现这一目标的关键在于如何将光子器件尺寸降低至微纳米量级，并能与微电子电路集成在同一芯片上。目前比较有效的方法有三种：纳米线波导，表面等离子体和光子晶体。其中，光子晶体具有体积小、损耗低和功能丰富等多种优点，被认为是最有前途的光子集成材料，称为光子半导体[1]，它是1987年才提出的新概念和新材料。这种材料有一个显著的特点是它可以如人所愿地控制光子的运动。由于其独特的特性，光子晶体可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光学器件，在光通讯上也有重要的用途，如用光子晶体器件来替代传统的电子器件，信息通讯的速度快得

综述光子晶体的研究进展

光子晶体的最新研究进展（学号：SA12231016 姓名：陈飞虎）摘要：光子晶体（Photonic Crystal）是在1987年由S.john[1]和E.Yablonovitch[2]分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。在这二十多年的发展当中，光子晶体已在光通信技术、材料科学和激光与光电子学等方面都取得了相应的进展。本文阐述了光子晶体在各方面所取得的相应进展，并探讨光子晶体在各个领域的最新研究状况。关键词：光子晶体研究进展 1 引言自光子晶体这一概念提出以来，它就成为各个学科领域的科学家们关注的热点。光子晶体(Photonic crystals)材料又称为光子带隙(Photonic band gap,PBG)材料,指介电常数(折射率)周期性变化的材料。电子在固态晶体的周期性势垒下能形成电子带隙,光子晶体的周期性晶格对光的布拉格散射可以形成光子带隙, 频率处在光子带隙中的光被禁止进入光子晶体。若光子晶体中某个地方不满足周期性,即引入了缺陷,禁带中就会出现缺陷态,缺陷态具有很高的光子态密度。采用各种材料,设计不同的光子晶体结构和引入不同的缺陷类型以及缺陷组合,可以制作出功能和特性各异的微纳光子器件。因光子晶体具有光子带隙和光子局域两大优越特点，所以它在发光二极管、多功能传感器、光通讯、光开关、光子晶体激光器等现代高新技术领

域[3-4]有着广泛应用。当前所制备的光子晶体大多不可调，但对于可调制光子晶体的带隙可以调控，电介质的折射率和光子晶体的晶格常数决定了光子带隙的宽度和位置，故改变外部环境，如加电场、磁场、压力或温度等，均能对光子禁带进行调制。因此可调控的光子晶体成为各个应用领域的研究热点和方向。 2 光通信技术方向的研究进展传统波导利用的是全内反射原理，当波导弯曲较大时，电磁波在其中的传播不再符合全反射原理，以至于弯曲损耗较大。而光子晶体波导采用的是不同方向缺陷模共振匹配原理，因而光子晶体波导不受转角限制，有着极小的弯曲损耗。理论上，当波导弯曲 90°时，传统波导会有 30％的损失，而光子晶体波导的损耗只有 2%[5]。另外，光子晶体波导的尺度可以做得很小，达到波长量级；因此，光子晶体波导不仅在光通信中有着十分重要的应用，在未来大规模光电集成、光子集成中也将具有极其重要的地位。光子晶体光纤(PCF) 由于它的包层中二维光子晶体结构能够以从前没有的特殊方式控制纤芯中的光波,使其具有诸多优异的光学特性,如无截止单模传输特性、可调节的色散特性、高双折射特性、大模面积和高非线性特性等,因此PCF的研究一直是光通信和光电子领域科学家们关注的热点。目前，世界各国对PCF的研究如火如荼,在PCF的色散、带隙、非线性特性及应用方面均有了长足进展。PCF的

光子晶体发展及种类

光子晶体及光子晶体光纤的研究现状与发展趋势摘要：光子晶体光纤（PCF）由于具有传统光纤无法比拟的奇异特性，吸引了学术界和产业界的广泛关注，在短短的十年内PCF的研究取得了很大的进展。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其理论研究方法，介绍了PCF的发展以及最新成果。关键词：光子晶体光子晶体光纤光子晶体光纤激光器 1、前言光子晶体光纤（photoniccrystalfiber，PCF），又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。独特的波导结构，灵活的制作方法，使得PCF与常规光纤相比具有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域[1]。在光纤激光器这一领域内，PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的某些性能有显著改善。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作[2]。目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其理论研究方法，介绍了PCF的发展以及最新成果。 2、光子晶体光纤的导光原理按导光机理来说，PCF可以分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机理。 2.1折射率导光机理周期性缺陷的纤芯折射率（石英玻璃）和周期性包层折射率（空气）之间有一定差别，从而使光能够在纤芯中传播，这种结构的PCF导光机理依然是全内反射，但与常规G.652光纤有所不同，由于包层包含空气，所以这种机理称为改进的全内反射，这是因为空芯PCF 中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故[3]。 2.2光子能隙导光机理理论上求解光波在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯PCF的传导条件，即光子能隙导光理论。如图2所示，光纤中心为空芯，虽然空芯折射率比包层石英玻璃低，但仍能保证光不折射出去，这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。当小孔间距和小孔直径满足一定条件时，其光子能隙范围内就能阻止相应光传播，光被限制在中心空芯之内传输。最近有研究表明，这种PCF可传输99%以上的光能，而空间光衰减极低，光纤衰减只有标准光纤的1/2～1/4[4]。空芯PCF光子能隙传光机理具体解释为：在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空气，传光

Fe(OH)3溶胶制备纯化及性质实验报告

溶胶的制备、纯化及稳定性研究 1、实验背景胶体现象无论在工农业生产中还是在日常生活中，都是常见的问题。为了了解胶体现象，进而掌握其变化规律，进行胶体的制备及性质研究实验很有必要。氢氧化铁胶体因其制备简单、带有颜色和稳定性好等特点被广泛应用于大学物理化学实验中，并且是高中化学中的一个重要实验。但是采用电泳方法测定溶胶的电动电势（ζ）却是始终是一个难点，因为溶胶的电泳受诸多因素影响如：溶胶中胶粒形状、表面电荷数量、溶剂中电解质的种类、离子强度、PH、温度和所加电压。 2、实验要求 (1)了解制备胶体的不同方法，学会制备Fe(OH)3溶胶。 (2)实验观察胶体的电泳现象，掌握电泳法测定胶体电动电势的技术。 (3)探讨不同外加电压、电泳时间、溶胶浓度、辅助液的pH值等因素对Fe(OH)3溶胶电动电势测定的影响。 (4)探讨不同电解质对所制备Fe(OH)3溶胶的聚沉值,掌握通过聚沉值判断溶胶荷电性质的方法。二、实验部分 1.实验原理溶胶的制备方法可分为分散法和凝聚法。分散法是用适当方法把较大的物质颗粒变为胶体大小的质点，如机械法，电弧法，超声波法，胶溶法等；凝聚法是先制成难溶物的分子(或离子)的过饱和溶液，再使之相互结合成胶体粒子而得到溶胶，如物质蒸汽凝结法、变换分散介质法、化学反应法等。Fe(OH)3溶胶的制备就是采用化学反应法使生成物呈过饱和状态，然后粒子再结合成溶胶。在胶体分散系统中，由于胶体本身电离，或胶体从分散介质中有选择地吸附一定量的离子，使胶粒带有一定量的电荷。显然，在胶粒四周的分散介质中，存在电量相同而符号相反的对应离子。荷电的胶粒与分散介质间的电位差，称为ξ电位。在外加电场的作用下，荷电的胶粒与分散介质间会发生相对运动。胶粒向正极或负极（视胶粒荷负电或正电而定）移动的现象，称为电泳。同一胶粒在同一电场中的移动速度由ξ电位的大小而定，所以电位也称为电动电位。测定ξ电位，对研究胶体系统的稳定性具有很大意义。溶胶的聚集稳定性与胶体的ξ电

光子晶体的制备与应用研究_李会玲

光子晶体的制备与应用研究＊李会玲①　王京霞②　宋延林③ ①助理研究员,②副研究员,③研究员,中国科学院化学研究所,北京100190 ＊国家自然科学基金(50625312,U0634004,20421101) 关键词　光子晶体　胶体晶体　自组装　光学器件光子晶体以其特殊的周期结构和可以对光子传播进行调控的特性被称为“光半导体”,被认为是未来光子工业的材料基础。光子晶体的制备和光学特性研究受到高度关注,并在各类光学器件、光导纤维通讯和光子计算等领域呈现广阔的应用前景。本文综述了光子晶体制备和应用研究方面近年来的主要进展。 1光子晶体简介 1987年,美国贝尔通讯研究所的Yablonovitch[1]在研究抑制自发辐射时提出“光子晶体”的概念。几乎同时,美国普林斯顿大学的John[2]在讨论光子局域时也独立地提出了这个概念。这一新的概念是与电子晶体相比较而提出的。在光子晶体中,不同介电常数的介电材料构成周期结构,介电常数在空间上的周期性将会对光子产生类似半导体的影响。由于布拉格散射,电磁波在其中传播时将会受到调制而形成能带结构,出现“光子带隙”(photonic band gap,PBG)。在光子带隙的频率范围的电磁波不能在结构中传播。这种具有光子带隙的周期性介电结构就是光子晶体(photonic crystals),或叫做光子带隙材料(photonic band gap mat erials),也有人称之为电磁晶体(electromagnetic cryst als)。随着研究的深入,人们发现了一系列光子晶体的光学性能如慢光效应[3]、超校准效应[4]、负折射现象[5]等等,这些独特的现象大大激发了科研工作者的研究热情。 2光子晶体制备自然界中存在的光子晶体结构较少。目前,文献报道[6]自然界中存在的光子晶体结构主要有蛋白石、蝴蝶翅膀、孔雀羽毛和海鼠毛等。绝大多数光子晶体的周期性电介质结构还需要通过人为加工制备。光子晶体是在一维、二维或三维周期上高度有序排列的材料,一般所谓的光学多层膜即是一维结构的光子晶体,已被广泛地应用在光学镜片上。二维或三维的高度有序结构在光子晶体研究领域中受到广泛重视。本文主要针对二维和三维光子晶体的制备和应用进行综述。目前,光子晶体的制备方法主要包括微加工(钻孔和堆积方法)、激光全息和自组装方法等。 2.1微加工方法微加工方法是最早报道的人工制备光子晶体的方法,具体是通过在基体材料上机械钻孔[7]、刻蚀[8,9]等方法,利用空气与基体材料的折射率差获得光子晶体。微加工方法通常采用半导体离子刻蚀技术如电子束刻蚀、激光刻蚀和化学刻蚀等制备光子晶体。这种方法由于工艺复杂,目前主要在有成熟工艺的硅(Si)和砷化镓(GaAs)基底上加工,成本昂贵,而且所制得结构层数少,质脆、性能易受环境影响,极大限制其应用。 2.2全息光刻全息光刻技术是利用激光束干涉产生三维全息图案照射在感光树脂上,感光树脂因此产生聚合,随后通过显影除去未聚合感光树脂,留下由聚合物和空气构成的三维周期结构。Berger[10]最先证明全息光刻制备光子晶体非常简单快捷。2000年,Campbell等人[11]采用4束紫外激光进行全息干涉,在30μm厚的感光树脂上产生全息图案,这是激光全息技术在光子晶体研究中的一大进步。对于全息结构还有一些需要解决的问题,如通过全息技术得到的三维光子晶体的光学特性还不够理想,可以用于这些结构制备的光学反应还不多。这些问题在干涉光束数量增加以形成复杂结构(如金刚石结构或手性格子结构)时变得更为重要。最近有报道用高折光指数材料复型制备反相结构可以提高光学特性[12], · 153 · 　自然杂志　31卷3期科技进展

胶体的制备与性质 (全,可做教案)

胶体的制备与性质第一节胶体的制备和净化胶粒：1—100 nm ，原则上可由原子、分子凝聚成胶体（凝聚法），也可由大块物质分散成胶体（分散法）。一、胶体制备的一般条件 1. 分散相在介质中的溶解度必须极小，浓度低 OH H C S 52+——真溶液）溶胶（溶解度极小，滴入水中O H S 2/???→? 低溶解度是形成溶胶的必要条件之一，同时还需要反应物的浓度很稀，生成的难溶物晶粒很小而又无长大条件时才能得到胶体。若反应物浓度很大，细小的难溶物颗粒突然生成很多，易形成半固体状的凝胶。 2. 必须有稳定剂存在分散胶体体系中存在巨大的界面积，属热力学不稳定体系，胶体需要稳定剂作用才能稳定存在。二、胶体的制备方法 1. 分散法：机械分散、电分散、超声分散和胶溶法通过不同的能量或作用方式分散大块物体→胶粒胶溶法是某些新生成的沉淀中加入适量的电解质或置于某一温度下使胶体重新分散成溶胶。如正电胶MMH （moled metal hydroxide ）或MMLHC ：mixed metal layered hydroxide compound 在一定比例的AlCl 3·MgCl 2 混合溶液中，加入稀氨水，形成混合金属氢氧化物沉淀（半透明凝胶状），经多次洗涤后（目的在于控制其中的氯离子浓度），置该沉淀于80℃下恒温，凝胶逐渐形成带正电的溶胶。MMH 用途很广——钻井液添加剂、聚沉剂、防沉剂等。胶溶法：新形成的洗涤过的溶液沉淀加入少量33)(FeCl OH Fe →搅拌→沉淀转化为红棕色的3)(OH Fe 溶胶→机械粉碎——球磨机、振动磨、冲击式粉碎机、胶体磨、离心磨。研磨过程中，增大增大，S A G S ，颗粒有聚集倾向（颗粒间有吸引力；颗粒增大，S G 减小）。分散?聚集平衡，颗粒不再磨细。要提高研磨效率，防聚可采取溶剂冲稀或加入稳定剂吸附表面——工业SAA ，油漆工业，研磨色料（SAA 保护）电分散：电弧使金属气化，分散于溶剂中，得到溶胶。超声波分散：对被分散的物质产生很大的撕碎力。 2. 凝聚法：用物理或化学方法使分子或离子聚集成胶粒。（1）还原法——金属溶胶

Fe(OH)3溶胶制备纯化及性质实验报告华师

溶胶的制备、纯化及稳定性研究一、前言 1、实验背景胶体现象无论在工农业生产中还是在日常生活中，都是常见的问题。为了了解胶体现象，进而掌握其变化规律，进行胶体的制备及性质研究实验很有必要。氢氧化铁胶体因其制备简单、带有颜色和稳定性好等特点被广泛应用于大学物理化学实验中，并且是高中化学中的一个重要实验。但是采用电泳方法测定溶胶的电动电势（ζ）却是始终是一个难点，因为溶胶的电泳受诸多因素影响如：溶胶中胶粒形状、表面电荷数量、溶剂中电解质的种类、离子强度、PH、温度和所加电压。 2、实验要求 (1)了解制备胶体的不同方法，学会制备Fe(OH)3溶胶。 (2)实验观察胶体的电泳现象，掌握电泳法测定胶体电动电势的技术。 (3)探讨不同外加电压、电泳时间、溶胶浓度、辅助液的pH值等因素对Fe(OH)3溶胶电动电势测定的影响。 (4)探讨不同电解质对所制备Fe(OH)3溶胶的聚沉值,掌握通过聚沉值判断溶胶荷电性质的方法。二、实验部分 1.实验原理溶胶的制备方法可分为分散法和凝聚法。分散法是用适当方法把较大的物质颗粒变为胶体大小的质点，如机械法，电弧法，超声波法，胶溶法等；凝聚法是先制成难溶物的分子(或离子)的过饱和溶液，再使之相互结合成胶体粒子而得到溶胶，如物质蒸汽凝结法、变换分散介质法、化学反应法等。Fe(OH)3溶胶的制备就是采用化学反应法使生成物呈过饱和状态，然后粒子再结合成溶胶。在胶体分散系统中，由于胶体本身电离，或胶体从分散介质中有选择地吸附一定量的离子，使胶粒带有一定量的电荷。显然，在胶粒四周的分散介质中，存在电量相同而符号相反的对应离子。荷电的胶粒与分散介质间的电位差，称为ξ电位。在外加电场的作用下，荷电的胶粒与分散介质间会发生相对运动。胶粒向正极或负极（视胶粒荷负电或正电而定）移动的现象，称为电泳。同一胶粒在同一电场中的移动速度由ξ电位的大小而定，所以电位也

胶体的制备与性质实验报告

制备氢氧化铁胶体【实验目的】：制备氢氧化铁胶体，比较其与氯化铁的区别。【实验要求】：保证安全，尽量不损坏仪器。成功制备氢氧化铁。【实验原理】：FeCl3+6H2O=加热=Fe(OH)3（胶体）+3HCl 【实验设备及环境要求】：铁架台、石棉网、酒精灯、小烧杯、量筒。要求环境干净整洁，没有极易燃物。【实验步骤】：准备实验（护目镜等）→组装仪器（由下至上，由左至右）→量取25mL蒸馏水，倒入小烧杯中→点燃酒精灯→将蒸馏水加热至沸腾，滴入饱和氯化铁溶液5-6滴，继续煮沸至溶液呈红褐色→熄灭酒精灯，停止加热→取下小烧杯，观察其与氯化铁外观差异→试验其丁达尔效应→在两只烧杯中分别加入相同量的含有悬浮颗粒物的浑浊污水→向其中的一只烧杯中加入10mL氢氧化铁胶体→静置，比较两只烧杯中液体的澄清程度→拆除清洗所有仪器，结束实验。【实验结果】：(1)氯化铁溶液呈棕色，氢氧化铁胶体呈红褐色。 (2)制备得到的氢氧化铁胶体具有丁达尔效应。 (3)加入了氢氧化铁的颜色深于另一烧杯中液体，但更澄清。【讨论和分析】：成功制备出氢氧化铁胶体。 (1)氯化铁的水解反应 FeCl3+6H2O=加热=Fe(OH)3+3HCl。为什么产生的盐酸与氢氧化铁不反应呢？原因大致有二。一、是因为高温反应时，盐酸挥发成气体，不接触无法反应。

二、是因为氢氧化铁和盐酸反应主要是因为氢氧根负离子和氢正离子结合，但制备的氢氧化铁胶体为带正电的粒子，氢离子也带正电，不反应。 (2)氢氧化铁胶体会出现聚沉现象。因为煮沸时间过长温度高，加剧了胶体粒子的热运动，碰撞几率增大，更容易结合成大粒子聚沉。(3)做净水剂。胶体粒子表面积大，能够吸附更多的悬浮颗粒物，沉降。高铁酸钾是含有FeO42-的一种化合物，其中心原子Fe以六价存在，因此，高铁酸钾具有极强的氧化性，可以对水进行氧化、消毒、杀菌处理。因此，高铁酸钾在饮用水的处理过程中，集氧化、吸附、絮凝、沉淀、灭菌、消毒、脱色、除臭等八大特点为一体的综合性能，被称为多功能水处理剂。【实验过程反思】氢氧化铁胶体的制备过程中，反应总体成功，但学生在做实验时没注意观察液体变为红褐色后就停止加热，有的学生制备胶体出现了聚沉现象。因此在今后的实验中注意加热时间不宜过长。

胶体的制备及性质实验报告设计精编WORD版

胶体的制备及性质实验报告设计精编W O R D 版 IBM system office room 【A0816H-A0912AAAHH-GX8Q8-GNTHHJ8】

【实验二】胶体的制备及性质一、实验目的： 1、掌握实验室制备氢氧化铁胶体的实验操作技能和方法。 2、实验探究胶体的重要性质——丁达尔效应，学会用简单的方法鉴别胶体和溶液。 3、培养由宏观实验现象推测微观粒子大小的能力。二、实验用品： 1．实验药品： FeCl 3饱和溶液、CuSO 4 溶液、泥水、1mol/L HCl 溶液、水玻璃（NaSiO3 的水溶液）、蒸馏水、U形管、0.01mol/L KNO3溶液、MgSO4溶液2．实验仪器：铁架台（配铁圈）、石棉网、烧杯、试管、试管夹、酒精灯、火柴、量筒、胶头滴管、激光笔、玻璃棒、漏斗、滤纸、石墨电极三、实验步骤与方法：（1）胶体的制备：

（2）胶体的性质：

结论：1、溶液、胶体和浊液中分散质粒子的大小顺序是，三种分散系的稳定性顺序，三种分散系的本质区别是。 2、胶体的性质有：、、四、知识储备及注意点： 1、常见的分散系：

2、胶体的性质：当可见光束通过胶体时，可以看到一条光亮的“通路”，这条光亮的“通路”是由于胶体粒子对光线的散射形成的，这种现象称为“丁达尔效应”，利用丁达尔效应是区分胶体和其他分散系的一种常用物理方法。 3、Fe(OH) 3 胶体的制备实验中，要注意以下几个方面：（1）要用蒸馏水，不能用自来水，自来水中有电解质会使胶体发生凝聚。（2）FeCl 3 溶液要饱和但不能浑浊。（3）逐滴滴加FeCl 3 溶液要不断振荡，但不能用玻璃棒搅拌。（4）FeCl 3不能过量，因FeCl 3 本身是电解质，过量的FeCl 3 也能使胶体发生凝聚。（5）不能使液体沸腾时间过长，以免生成沉淀，加热过度会使胶粒运动加快，发生凝聚。

光子晶体及其特性

光子晶体及其特性王娟娟摘要:光子晶体是一种介电常数不同的、其空间呈周期分布的新型光学材料。通过深入研究,达到进一步了解光子晶体的原理、特性、制备方法以及应用之目的。关键词:光子晶体光子禁带光子局域Purce ll效应 1.引言 20世纪，半导体的发现并应用引发了一场影响开半导体材料，半导体内部存在周期性势场电子受到周期性势场的调制发生布拉格散射形成能带结构，而带与带之间可能存在禁带，落入禁带中的电子则无法继续传播。 1987 年 E. Yablonovich 和 S. John 分别提出了光子晶体的概念[1-2] 光子晶体是由不同介电常数的物质在空间周期性排列而形成的人工微结构，当电磁波通过光子晶体时光子晶体中周期性排布的介电常数会对电磁波进行调制，从而产生光子能带能带之间可能存在禁带与半导体对比可以发现在光子晶体中，周期性分布的介电常数起到了半导体中周期性势场的作用，同时与电子禁带相对应的也有光子禁带的存在，因此有人又把光子晶体称为光半导体光子晶体可以用于制作光子晶体偏振器件、光子晶体微波天线、光子晶体棱镜、光子晶体光纤光子晶体波导等[3-6] 在光通信，光电集成等方面具有极其广阔的应用前景。 2.光子晶体光子晶体按照其周期性排列方式可分为一维、二维和三维光子晶体，它们的介电常数分别在一维、二维和三维空间上周期性排列，其中一维光子晶体就是常见的多层膜结构，二维光子晶体是周期性排列的介质柱或空气孔，三维光子晶体中介电常数则在3个方向具有周期性在实际应用中，二维光子晶体有着更广泛的前景更受到人们的重视光子晶体具有高低折射率材料交替排列的周期性结构可以对相应频率的电磁波进行调制产生光子禁带[7-8] ，如果在3个方向上都存在周期结构，可以产生全方位的光子禁带，在全方位光子禁带中与该禁带频率相对应的电磁波将被完全禁止传播光子禁带是光子晶体的主要特性，光子晶体的另一个特性是光子局域若光子晶体的周期结构被破坏就会在光子禁带中产生缺陷

溶胶制备纯化及性质实验报告材料

溶胶的制备、纯化及稳定性研究 ——时间的影响和用K2SO4溶液测聚沉值一、前言 1、实验背景胶体现象无论在工农业生产中还是在日常生活中，都是常见的问题。为了了解胶体现象，进而掌握其变化规律，进行胶体的制备及性质研究实验很有必要。 Fe(OH)3胶体因其制备简单、带有颜色和稳定性好等特点被广泛应用于大学物理化学实验中，并且是高中化学中的一个重要实验。但是采用电泳方法测定溶胶的电动电势（ζ）却是始终是一个难点，因为溶胶的电泳受诸多因素影响如：溶胶中胶粒形状、表面电荷数量、溶剂中电解质的种类、离子强度、PH、温度和所加电压。 2、实验要求 (1)了解制备胶体的不同方法，学会制备Fe(OH)3溶胶。 (2)实验观察胶体的电泳现象，掌握电泳法测定胶体电动电势的技术。 (3)探讨不同外加电压、电泳时间、溶胶浓度、辅助液的pH值等因素对Fe(OH)3溶胶电动电势测定的影响。 (4)探讨不同电解质对所制备Fe(OH)3溶胶的聚沉值,掌握通过聚沉值判断溶胶荷电性质的方法。二、实验部分 1.实验原理溶胶的制备方法可分为分散法和凝聚法。分散法是用适当方法把较大的物质颗粒变为胶体大小的质点，如机械法，电弧法，超声波法，胶溶法等；凝聚法是先制成难溶物的分子(或离子)的过饱和溶液，再使之相互结合成胶体粒子而得到溶胶，如物质蒸汽凝结法、变换分散介质法、化学反应法等。Fe(OH)3溶胶的制备就是采用化学反应法使生成物呈过饱和状态，然后粒子再结合成溶胶。在胶体分散系统中，由于胶体本身电离，或胶体从分散介质中有选择地吸附一定量的离子，使胶粒带有一定量的电荷。显然，在胶粒四周的分散介质中，存在电量相同而符号相反的对应离子。荷电的胶粒与分散介质间的电位差，称为ξ电位。在外加电场的作用下，荷电的胶粒与分散介质间会发生相对运动。胶粒向正极或负极（视胶粒荷负电或正电而定）移动

土壤胶体和土壤交换性能

第六章土壤胶体和土壤交换性能主要学习目标：要求学生了解土壤胶体的晶格构造，掌握土壤胶体的性质。本章是今后学习肥料学的基础。因为土壤胶体的行为影响着土壤的发生发展、土壤的理化性质及土壤保肥供肥能力。第一节土壤胶体一、概念土壤胶体是指颗粒直径小于0.001mm或0.002mm的土壤微粒。目前土壤胶体粒径的大小范围，并不是绝对的。这是因为胶体性质的出现，是随着粒径的减小逐渐加强的。没有截然划分的界限。二、土壤中的胶体主要分为三类 1、土壤无机胶体：主要是矿物在化学风化过程中产生的次生矿物，包括氧化硅类、三氧化物类和层状铝硅酸盐等。有时将无机胶体称为粘土矿物。粘土矿物的来源有以下几个途径：（1）由白云母、黑云母演变而来；（2）在一定条件下有矿物的分解产物合成形成；（3）由一种粘土矿物演变成另一种粘土矿物。 2、土壤中有机胶体主要是腐殖质，它是有机质在土壤微生物等的作用下形成的。 3、有机无机复合体是土壤腐殖质和粘土矿物通过混合和吸附结合在一起，结合过程比较复杂。三、硅酸盐粘粒的晶格构造 1、粘土矿物的基本单位：有2个即硅氧片和铝氧片（1）硅氧片：由硅氧四面体连接而成。硅、氧两元素能组成一个单位的原因：一是硅具有正原子价，而氧具负原子价，二者可相互吸引。二是与原子大小有关，四个氧原子堆积成四面体时，其间所形成的空隙与硅原子的大小基本相似。但四面体的键价并不平衡（SiO44-），因此许多四面体可共用氧原子形成一层。此时键价仍不平衡，可与铝水八面体结合形成各类粘土矿物。（2）铝氧片，又称铝氧八面体。由六个氧原子围绕一个铝原子构成。六个氧原子所构成的八面体空隙与铝原子的大小相近似。许多铝八面体相互连接，形成铝氧片。铝氧片有两个层面的电价不平衡，可与氢原子连接形成水铝矿，或与硅氧片通过不同方式的连接结合成为铝硅酸盐。粘土矿物分为二层矿物和三层矿物；四、粘土矿物负电荷的来源（本章的重点是土壤的电化学特性） 1、同晶取代：晶格构造中的中央离子被其他阳离子取代后会产生负电荷（被电荷比它低的取代）。 2、晶格断裂产生电荷。 3、胶体表面分子解离产生电荷。随pH变化改变而产生的电荷称可变电荷五、几种主要土壤胶体 1、高岭石（kaolinite）是二层型（1：1）粘土矿物，是强烈化学风化条件下的产物（南方）（教材p178 8-3构造图）晶格较稳定，硅酸盐层之间由氢键连接，作用力很强，间隙小，水分子或其他离子很难进入层间。因此只有外表面，没有内表面，无胀缩性（陶器不会太大），比表面积较小，为30m2/g。高岭石带有的电荷一部分是晶格破裂产生的，另外晶格表面的—OH在土壤酸度变化时带有可变电荷，但高岭石的带电量较少； 2、伊利石属三层型（2：1）粘土矿物，主要分布在干旱半干旱地区。硅酸盐层间由钾

关于光子晶体的认识

摘要迄今为止,已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出,并且随着半导体微加工技术的进步和发展,人们对这些器件开展了深入系统的实验研究.这些光子晶体光学器件使信息处理技术的“全光子化”和光子技术的“微型化”与“集成化”成为可能. 关键词光子晶体缺陷微腔

关于光子晶体的认识光子晶体是折射率或介电常数具有周期性调制分布的一种新型人工光学或电磁波材料,其周期为波长量级.虽然自然界也存在天然形成的光子晶体,比如石英材料的蛋白石光子晶体(opal),但是具有实际应用价值的光子晶体都来源于人工设计和制造,通常利用当今先进的半导体微加工技术,比如电子束刻蚀技术和聚焦离子束刻蚀技术, 其精度可优于5nm,基本能够满足光子晶体集成光学器件的精确制作和加工要求,使得这些器件的光学特性基本符合计算机设计的预期结果,从而实现理论和实验的良好互动. 利用光子带隙的存在能够实现对光传播行为的强有力控制.这主要通过在光子晶体中引入各种缺陷而实现光子的局域化控制.缺陷有两种基本形式:线缺陷和点缺陷.线缺陷形成波导,它可以引导光子沿某一路径传输.由于光子带隙的存在,光只能沿着光子晶体波导延伸方向传播,而不能泄露到周围的光子晶体材料里.光通过90°的光子晶体波导转弯角时,在某些频率窗口能够获得接近100%的传输效率,在这一点上, 光子晶体波导具有传统介质波导(如光纤)无可比拟的优势. 由于传统介质波导通过光在芯层和包层之间的分界面处的全反射效应来实现传输,当光遇到大的转弯角(比如大于30°)时,全反射条件不再满足,相当比例的光能量将从转弯角处泄露到周围空间中去. 上述的研究工作表明,光子晶体波导能够在微纳尺度上实现对光的高效率偏转.受到该研究成果的激励,许许多多应用于不同光频段,着眼于更低损耗,更宽传播窗口,以及一些具有特殊用途(如光速变慢)的光子晶体直线波导得到了广泛的研究. 光子晶体中的另一种缺陷形式——点缺陷通常用来构成光子晶体结构中的微腔,在微腔中只有频率与之共振的光子才能存在,形成一个或多个共振模式,因此微腔具有共振选频的作用.波导与微腔配合使用,构成了集成光学基本元件. 光子晶体中带隙的调控作用还体现在对光源的改善上,早在1987年,Yablonovitch 就预见了光子晶体点缺陷形成激光器的可能.大体说来就是将光信号设计在导带区域,使其能够透过晶体继续传播,而噪声落入带隙区域被完全屏蔽,从而获得超过传统光源的高单色性激光输出.12年后,美国加州理工学院的A.Scherer研究小组首次实现了室温下抽运的光子晶体纳米激光器,翻开了世界范围光子晶体激光器研究工作实用化的新一页.该小组在包含有多层量子阱结构的砷化镓桥式薄膜

氢氧化铁胶体的制备和性质实验教学设计

氢氧化铁胶体的制备和性质实验教学设计 1.掌握实验室制备氢氧化铁胶体的实验操作技能和方法。 2.实验探究胶体的重要性质——丁达尔效应，学会用简单的方法鉴别胶体和溶液。 3.培养由宏观实验现象推断微观粒子大小的能力。 4.认识胶体在生活生产和科学研究中的应用。1.利用已有的经验，并查阅有关资料或向老师咨询，完成以下问题：（1）按分散质或分散剂的聚集状态（气态、液态、固态），它们之间可以组合形成9种分散系，对每种分散系，请各举一个实例。（2）当分散剂是水或其他液体时，按分散质粒子的大小不同，可将分散系分为哪几类？对每一类请各举几个实例。2.胶体是物质的一种存在形式，是一种（填“混合物”或“纯净物”）体系，它研究的（填“是”或“不是”）某种物质特有的性质，而是物质所表现出来的性质。由此可知，物质的性质不仅与有关，还与有关。3.在实验室制备FeOH3胶体的实验操作方法是，有关反应的化学方程式为。4.若将FeOH3胶体和泥水分别进行过滤，你预测在滤纸上都有固体物质留下吗？蒸馏水，FeCl3饱和溶液，CuSO4溶液，泥水，食盐溶液，淀粉胶体小烧杯，量筒，酒精灯，铁架台（配铁圈），石棉网，胶头滴管，激光笔（或手电筒），玻璃棒，漏斗，火柴，滤纸1.制备FeOH3胶体：在洁净的小烧杯里加入约25 mL蒸馏水，加热至沸腾，然后向沸水中逐滴加入12 mL FeCl3饱和溶液，继续煮沸至液体呈红褐色，停止加热。FeCl3饱和溶液呈色。FeOH3胶体呈色。反应的化学方程式为。2. FeOH3胶体、CuSO4溶液和泥水的外观比较：另取两个小烧杯分别加入约25 mL CuSO4溶液、25 mL泥水，观察比较FeOH3胶体、CuSO4溶液