反蛋白石
反蛋白石结构
反蛋白石结构(inverse opal)代表了一大类可望实现完全光子带隙的结构，这种结构只要填充材料的折射率跟周边的介质（例如空气）的比值达到一定的数值时，其周期对称的结构将出现完全光子带隙。它以SiO2，PS，PMMA等蛋白石为模板，在其空隙中填充高折射率的材料或其前体材料，填充完毕待材料在空隙间矿化后，通过锻烧、化学腐蚀、溶剂溶解等方法除去初始的SiO2或聚合物模板。原有的模板除去后得到规则排列的球形的空气孔，空气的折射率接近1，要求填充材料有高的折射率(如2.8)和所在波长的光学透明。
光子晶体的带隙越宽，其性能越好。一般而言，光子禁带会受到晶体的晶格结构及两种介质的填充率、介电常数比的影响。对于晶格结构，完全禁带更容易出现在具有近球形第一布里渊区的结构中，因此二维六角结构和三维面心结构能得到较大的带隙。周期排列的两种介质的介电常数差越大，布拉格散射越强烈，就越有可能出现光子禁带。
由已有的研究得知，降低光子晶体的对称性，可以增大光子晶体的带隙。球形构成的fcc结构具有很高的对称性，对称性引起的能级简并使它难于产生完全禁带。为了消除对称性，在fcc结构的晶胞内引入两个球形粒子构成diamond结构，能产生很宽的完全禁带。woodpile结构具有面心四方对称性，它可以看成是fcc结构沿垂直方向伸长后的结构。通过理论计算发现，fcc结构由于高对称性引起的能级简并，除了在背景材料为高介电材料、空气小球密堆积排列时能产生完全禁带，其他情况下不产生完全禁带。diamond结构实际上是基于双球结构的fcc结构，相比fcc结构，它的对称性明显降低，更容易产生完全禁带。在高介电材料中钻孔形成的diamond结构比由介质小球在空气中堆积形成的diamond结构更容易产生完全禁带，且禁带宽度和最大带隙率也都非常理想。woodpile结构是由层层叠加法制作出来的，虽然制作工艺比较复杂，但产生的禁带宽度和最大带隙率都比较理想，相比diamond结构，填充率的调节范围更宽，这给实验制备的精度要求带来了方便。同时我们发现，对于不同的三维光子晶体结构，其完全禁带的宽度和带隙率都可通过增大介电常数比得到进一步优化。目前为止，由于fcc结构易于从蛋白石结构中获得，而且所需工艺也比之其他较为简便，是最热门，研究最深入的反蛋白石结构。
到目前为止，共报道过三种反蛋白石结构，一是壳型结构（SHS），如下图左，是指绝缘（dielectric）的球壳包围着空球，是一种不完全的填充；二是剩余体积结构，是指蛋白石球外围均被填充；三是Dong等提出的骨架结构，如下图右，也是一种不完全填充，但由一些不导电的圆柱连接四面体或八面体结构上述构成光子晶体的结构中，以金刚石结构，反蛋白
石结构和面心四方结构为主，目前只有反蛋白石结构能不用微加工的工艺来实现。在面心立方结构中，目前有争议在于核壳型结构（SHS）是否属于反蛋白石结构，这两种结构的区别在于空气球外包覆的壳层是否占据整个空隙，而这会导致填入介质介电常数与其完全带隙宽度的一些变化，但这种变化影响并不是很大，故本文将核壳结构归入反蛋白石结构。下图为几种主要结构的比较，形成结构的材料为Ge，比较归一化中心频率v和带宽Δ。其中CS表示核壳结构，表中所用数据为核壳结构在该材料下获得的最宽带隙。
光子晶体基本原理
光子晶体 2.1光子晶体的基本原理 大家都知道，许多研究都因类似的现象作出的假设。这是因为宇宙具有相同的模式，其中有一个高度一致的内部规则，即使拥有千变万化的外观。光子晶体也是这样，这是第一先假设光子也具有类似于电子的传输性质，不同的是电子是在普通晶体中传输，而光子是在光子晶体中传输，然后在半导体的基础上发展起来的。 另外，晶体的原子是周期性的，有序排列的，由于这个周期势场，电子的运动收到周期性布拉格散射效应，从而形成一个能带结构，带隙存在于带与带之间。如果电子波带隙能量落到带隙中，就不能继续传播。事实上，无论什么电磁波，只要受到周期性调制，就会产生一个能带结构，也有可能出现带隙。 简而言之，由于半导体中离子的周期性排列引起了能带结构的产生，而能带控制着载流子（半导体中的电子或者空穴）在半导体中运动。同样的，在光子晶体由周期性变化所产生的光的光带隙结构，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的移动。 2.2光子晶体的制备 人们已广泛认识到光子晶体具有的巨大应用前景, 这是光子晶体得以应用的必要条件———光子晶体的制备工艺得到世界上众多研究人员的深入研究，在此后的时间里，关于光子晶体的理论研究和实际应用的探索得到突飞猛进的发展，已然成为国际信息科技领域的一个热点问题。 从光子晶体的维数上看，光子晶体可以分为一维光子晶体, 二维光子晶体和三维光子晶体。一维光子晶体,顾名思义,就是在一个维度上周期性排布的光子晶体,它是由两种介质块构成的,而且这两种介质块须具有不同的介电常数,并在空间上交替排列。二维光子晶体是不同介电常数的介质柱(或其他规则介质)在二维空间上周期性排列的结构,如石墨结构,在某一平面上具有周期性,而在垂直这个平面的方向上是连续不变的。三维光子晶体是在三个方向上均具有周期性结构,因此与一维、二维光子晶体在某一个或两个方向上具有光子带隙不同,它在三个方向也都具有光子禁带,也被称为全方位光子带隙。
反蛋白石光子晶体的研究进展_韩国志
反蛋白石光子晶体的研究进展 韩国志1 孙立国2 (1南京工业大学应用化学系 南京 210009; 2黑龙江大学化学化工与材料学院 哈尔滨 150080) 2008-07-02收稿,2008-09-24接受摘 要 反蛋白石晶体是一类重要的光子晶体,由于其制备材料的广泛性以及容易实现对光子禁带的 多重调制而受到广泛关注。本文介绍了目前反蛋白石晶体结构的主要制备技术和方法,详细阐述了反蛋白石 晶体结构的最新研究进展。 关键词 反蛋白石 光子晶体 胶体晶体 应用 Advance in Inverse Opal Photonic Structure Han Guozhi 1 Sun Liguo 2(1Department of Applied Chemistry ,Nanjing Universit y of Technology ,Nanjing 210009;2School of Chemistry and Materials ,Heilongjian g Univers ity ,Harbin 150080) A bstract Inverse opal crystals are an important structure for photonic crystal .Comparing with opal crystals ,it is advantageous in universality of materials for fabricating and easy to realize multi -tunablity of stop -band and structure function .In this paper ,current preparation and advance in application of inverse opal structures are reviewed . Keywords Inverse opal ,Photon ic crystal ,Colloidal crystal ,Application 图1 反蛋白石晶体的结构Fig .1 SEM image of invers e opal 蛋白石(opal )是一种存在于自然界中的、在数百nm 尺度 上有规整排列的含水非晶质二氧化硅。它拥有色彩缤纷的外 观,电子显微镜下观察表明,结晶蛋白石具有周期排列的六方 晶格,为面心立方结构。广义而言,蛋白石是一种三维光子晶 体,具备选择性布拉格反射,所以在不同的角度,显示不同的 颜色[1～4]。目前人工蛋白石主要采用胶体晶体自组装方法制 备。将表面带同种电荷的胶体颗粒(如非晶二氧化硅微球、聚 苯乙烯微球等)按一定的浓度分散于溶剂中,由于颗粒表面之 间的电荷相互作用,随着溶剂的蒸发,胶体粒子自动排列成六 方密堆积的胶体晶体,当胶体晶体中微球的直径与光波长相 当时,该晶体即可产生带隙,具有与蛋白石相似的光学特性。 反蛋白石晶体就是在蛋白石晶体的空隙中填充某种介 质,然后通过焙烧、溶解或化学腐蚀等方法除去蛋白石晶体的原材料后所形成的多孔结构,即空气小球以面心立方的形式分布于介质中,每个空气小球在之前胶体粒子接触点以小的圆柱形通道连接(图1)。如果介质折射率与空气不同,就产生布拉格反射,反射波长可由下式计算: λ=2(2 3)1 2d (n 2a -sin 2θ)1 2其中,λ表示反射波长,d 表示晶面间距,n a 表示材料平均折射率,θ表示入射光线与晶面的夹角。这种结构只要填充材料的折射率跟周边的介质(空气)的比值达到一定的数值(>2.8)时,就会出现完全光子带隙。 与蛋白石晶体相比,反蛋白石晶体最大的优势在于制备材料的选择性广泛、材料折射率的差异容易
硅基光子晶体的研究
硅基光子晶体的研究 从真空管到超大规模集成电路，人类跨出了巨大的一步、半个世纪以来，电子器件的迅猛发展使其广泛应用于生活和工作的各个领域，它尤其促进了通讯和计算机产业的发展。然而，进一步小型化以及在减小能耗下提高运作速度，几乎是一种挑战、由于电子器件是基于电子在物质中的运动，在纳米区域内，量子和热的波动使它的运作变得不可靠了，人们感到了电子产业的发展极限。由于光子是以光速运动的粒子，以光子为载体的光子器件有比电子器件高得多的运行速度，光子在电介质传播每秒可以携带更多的信息，其传输带宽要远大于金属导线，并且光子受到的相互作用远小于电子，因而光子器件的能量损耗小、效率高，人们转而把目光投向了光子，提出了用光子作为信息裁体代替电子的设想。类似于电子产业中的半导体材料，光子产业中也存在着一种基础材料——光子晶体（Photonic Crystals ）。 光子晶体（Photonic Crystals ）是由具有不同介电常数（折射率）的材料按照某种空间有序排列的的其周期可与光波长相比的人工微结构。介电函数的周期性变化能够调制材料中光子的状态模式，使光子带隙出现，当光的频率位于光子带隙范围内，它将不能在光子晶体中的任何方向传播。因此，光子晶体也常称为光子带隙材料（Phtonic Band Gap Materials ）。光子晶体将成为光电集成、光子集成、光通讯的关键性基础材料，所以光子晶体又成为“光学半导体”。它广阔的应用前景使光子晶体成为当今世界范围的 一个研究热点，得到了迅速的发展。 硅材料是现代集成电路工业的基础性材 料，是人类制备工艺最成熟、研究最深入、 了解最清楚的材料之一。硅的折射率 较高 （在波长为1.1μm 时n=3.53），满足完全 光子带隙的光子晶体的要求，且硅对通信领 域所采用的两个波长1.3μm 和1.55μm 来说 是透明的，所以硅材料是制备光子晶体的良 好材料。近几年硅基光电集成取得了一些突 破，研究硅基光子晶体，将大大促进硅基光电集成，全光集成技术的发展。 本研究方向着重研究硅基光子晶体和二氧化硅蛋白石光子晶体的制备和性质，研究 采用自组装方法获得的蛋白石胶体晶体为模板，制备硅的反蛋白石结构，理论计算表明三维周期结构只具有赝光子带隙，这种由数百纳米的单分散二氧化硅小球自组装面心密排堆积而成的反蛋白石结构具有完全的光子带隙。 光子晶体的广阔的应用前景使其 成为当今世界范围的一个研究热点
光子晶体的制备
光子晶体的制备 1987年，物理学家Eli Yablonovitch预测，光子带隙晶体（PBC）能够像现有的微电路处理电信号一样处理光信号。研究人员一直在寻找此类材料，并设法批量生长。在这项工作中，生长出的蛋白石状晶体具有PBC所需的独特结构：透明颗粒以类似于金刚石中碳原子的方式排列。 PBC的菱形晶格中粒子须按一定的方式排列。每个粒子连接四个等间距的近邻粒子，当两个这样的粒子聚在一起时，调整粒子的方向，使这两个粒子结合的六个粒子处于正确的相对方向。这项工作合成了微观的塑料块体，每个块体由四个球组成呈现出三角形金字塔的形状，每个棱锥面的中心有一个凹陷的粘性贴片。当悬浮在水滴中时，通过粘性贴片对接在一起的颗粒，粒子将调整到合适的角度，然后自发地形成具有金刚石结构的高度有序的稳定晶体。最终制备出的晶体仅包含100000个颗粒且重量不到1微克，但增大尺寸的过程并不复杂。大型三维光子晶体的制备需要用纯硅或二氧化钛填充这些晶体中的空隙，最后溶解这些晶体模板。 具体的制备过程为： 第一步，固体非交联聚苯乙烯颗粒与3-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷（TPM）的较小液滴混合，四个固体颗粒与一个液滴结合，形成四面体团簇；
第二步，在悬浮液中添加增塑剂（这里采用四氢呋喃）控制聚苯乙烯的变形，球体的变形挤压了团簇的液核，使核心从构成团簇的三个聚苯乙烯粒子之间的空隙中凸出，室温的条件有利于微调聚苯乙烯球被压缩和液核被挤出的程度； 第三步，采用HOOMD-blue模拟软件进行模拟，选择压缩比在0.63-0.78、粒径比接近1.2的粒子，初始的聚苯乙烯粒子尺寸为1.0μm； 第四步，退火后，粒子连接形成小晶体，为了生长更大的 晶体，将颗粒悬浮在H 2O和D 2 O的混合物中（使用PBS缓冲液）， 将悬浮液装入玻璃毛细管中密封，尺寸为100μm×2mm×50 mm，毛细管沿2mm的方向倾斜20?，沿50mm长的毛细管方向施加约1℃的温度梯度，团簇进行结晶，尺寸为40μm或100μm甚至更大，制备出的胶体颗粒具有高的约束性和机械稳定性，有利于干燥悬浮液和保持金刚石结构； 第五步，以晶体为模板，在晶体上涂覆保护性氧化层，利用化学气相沉积法在模板上涂覆硅，移除模板和氧化层，最终制备出PBC。 最终制备出的胶体金刚石的晶格具有宽且完整的光子带隙。PBC的应用之一是量子计算机，传统计算机中存储“0”或“1”的数字比特被可以同时是“0”或“1”的量子比特取代。这可以更加快速地解决代码破译中许多困难的组合问题。构建量子计算机的挑战在于将许多的量子比特连接在一起以及隔离这些量子
单分散高分子微球的制备及其自组装光子晶体结构色
题目：单分散高分子微球的制备及其自组装光子晶体结构色
目录 第一章引言 1.1、光子晶体结构 (4) 1.2、光子晶体结构色的光学原理 (4) 1.3、光之晶体结构色的制备原理 (6) 1.5、高分子微球自组装 (6) 1.4、无皂乳液法制备单分散高分子微球模板制备原理 (8) 第二章单分散高分子微球的制备 (9) 第三章实验装置图 (9) 第四章样品表征结果与数据分析 (9) 第五章表征方法 (12) 第六章结果与数据分析 (13) 第七章实验总结 (17) 第八章参考文献 (17) 【摘要】本实验是通过模仿蛋白石结构，并且采用高分子微球自组装法形成的三维光子晶体，使具有与天然蛋白石相同的立方密堆积结构。研究仿蛋白石结构高分子微球光子晶体的结构与性能。
【关键词】无皂乳液聚合、单分散、高分子微球、光子晶体 第一章引言 1.1 光子晶体结构
光子晶体是指具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构，即频率落在光子带隙内的电磁波是禁止传播的，这种结构有时也称为PBG光子晶体结构，这种新型人工材料即为光子晶体材料。 从量子理论角度来说，光是具有量子性质的，每一频率的光对应一定的光子能量。物质的原子处于一系列不连续的能量状态中（即能级），在通常情况下，它们处于最低能级，即基态。当各种频率的光照射到物体上时，原子中的电子就从基态跃迁到激发态。如果某种频率的光子的能量恰好等于原子的两个能级的能量差时，这一光子将被吸收、使原子从低能级跃迁到高级能，原子处于激发态，当电子重新回到低能级即基态时，就向外辐射光子，辐射出来的光子决定了我们看到的物体的颜色。多数物体不能将投射到其上的光全部反射出来，我们看到的只是其中部分反射回来的光。所有物质均应符合上述理论，但一类物质表面上看不符合上述量子理论，如蛋白石，其化学组成主要为非晶二氧化硅，该物质在可见光内几乎没有吸收，光应透过，而其表现出了各种颜色。其实，蛋白石结构是符合量子理论的，但是蛋白石具有一种由二氧化硅微球呈六方最紧密堆积的有序结构，该有序周期性结构对可见光的衍射造成了贵蛋白石的具有颜色现象，称这种结构为光子晶体结构。 本实验将模仿蛋白石结构，采用高分子微球自组装法形成的三维光子晶体，使具有与天然蛋白石相同的立方密堆积结构。 1.2 光子晶体结构色的光学原理 光子晶体是由两种或两种以上的不同折射率的介质材料在空间
半导体敏化太阳能电池发展面临的突破(精)
半导体敏化太阳能电池的突破 [摘要]半导体敏化太阳能电池在过去数年已引起越来越大的兴趣。这类电池开始时转化效率非常低，现在迅速发展到转化效率达到4-5%。本文从三方面分析了优化提高太阳能电池的性能的途径：（1）材料：不仅包括光吸收材料，也包括电子和空穴导体、对电极材料；（2）通过表面处理来控制电子-空穴复合和能带排列；（3）发展具有增强光捕获和采集性能的纳米复合吸收材料。我们认为这些关键点可以使半导体敏化太阳能电池的设计和发展取得重要突破。 [正文]纳米技术被认为将使工业发生革命性的变化，通过纳米技术降低装置费用和提高效率，可使光电能源费用大大降低，产生显著的经济效益。传统的硅太阳能电池依赖高品质的材料，吸收光之后，产生的载流子将留在相同的材料中直到它们在选择性接触中被提取；为了阻止载流子提取前复合，必须采用高成本的尖端技术。相反，纳米尺度的吸收材料可以迅速把光生载流子分离到两个介质中，对材料品质不需苛刻要求，因此，大大减少了制造费用。吸收材料把光生载流子（电子和空穴）分离到两种介质中的概念，在染料敏化太阳能电池中被详细研究。其中，电池由辅助的纳米结构电子和空穴传输材料构成，染料分子起到吸收剂的作用。 半导体敏化太阳能电池从极低的转化效率迅速发展到接近4-5%。 另一方面，半导体材料构成了控制了能源市场-光伏器件的基础。当这些材料变成纳米尺度时，由于量子限制效应，出现了新的和奇特的性质。此外，块体材料的某些性质，如高吸光系数在在纳米尺度时仍然保留。 半导体量子点(QDs)具有大的固有偶极矩，它们的带隙可以通过尺寸和形状来调节，这一特性为吸光材料的纳米设计提供了一个极好的工具。更为重要的是，半导体量子点或薄膜的生产比块体便宜，它们的合成温度更低，并且可以采用液相方法。从这个意义上说，半导体量子点是发展敏化太阳能电池的优秀材料。 使用半导体作为增敏剂可以追溯到上世纪90年代。然而，直到最近几年，由于很多因素半导体敏化太阳能电池SSC才又被重视：纳米技术的发展使得半导体量子点和薄膜的制备及表征变得容易；染料敏化太阳能电池DSC的许多实验结果可应用到半导体敏化电池。所以，这种器件目前受到越来越多的研究小组重视。
光子晶体的应用及其发展前景
光子晶体的应用及其发展前景 光子晶体的应用及其发展前景摘要:光子晶体是一种介电常数不同的，是人工设计的由两种或两种以上介质材料排列的一维?二维或三维周期结构的晶体。一维光子晶体已得到实际应用，三维光子晶体仍处于实验室实验阶段。由于光子晶体有带隙和慢光等优良特性，所以具有广泛的应用前景。关键字:光子晶体物理基础材料制备应用 1、物理基础 (1)1987年，E.Yallonovitch 和 S.John在研究抑制自发辐射和光子局域时提出光子这概念。概念提出后，其研究经历了一个从一维、二维到三维的过程，并将带隙不断向短波方向推进。微波波段的逞隙常称为电磁带隙(ElectromagneticBand-Gap,简称为EBG)，光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。光子晶体是指具有光子带隙(Photonic Band-Gap,简称为PBG)特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波长可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。相比一维二维光子晶体只能产生方向禁带，三维光子晶体能产生全方向的禁带，具有更普遍的实用性。 2、光子晶体的原理 (1)什么是光子晶体
光子晶体制备的四种方法。
光子晶体是一种人造微结构,它的晶格尺寸与光波的波长相当,是晶体晶格尺寸的1000倍。光子晶体的制作具有相当大的难度,根据适用的波长范围,制作技术也不同。此外,还需要引入缺陷态,因此,制作过程往往需要采用多种技术才能完成。 1.精密加工法 Ames实验室证实了金刚石结构的光子晶体具有很大的带隙后, Yablonovitch等人便采用活性离子束以打孔法制造了第一块具有完全光子带隙(photonic band gap, PBG)的三维光子晶体。他们采用反应离子束刻蚀技术在一块高介电常数的底板表面以偏离法线35.26°的角度从3个方向钻孔,各方向的夹角为120°。但是,当孔钻得较深,并彼此交叉时,孔会产生位置偏离,从而影响其周期性结构。 Ho等提出了木堆结构(Woodp ile Structure) ,即用介电柱的多层堆积形成完全带隙的介电结构。Ozbay等用铝棒堆积成Woodpile结构,其缺点是工艺比较繁琐,且结构的周期准确性难以保证。Ozbay等又发展了逐层叠加结构(Layer- by-layer Structure) ,即先制造出各向异性的二维Si/SiO2 层状结构,然后以Woodp ile结构的周期结构形式进行逐层叠加,即四层形成一个周期。通过层叠 法和半导体工艺的结合,使得设计出的光子晶体具有禁带宽、带隙可达到红外及近红外区的优点。由于是以半导体工业成熟的技术为基础,精密加工法是制备光子晶体最为稳定可靠的方法。然而其工艺复杂、造价昂贵,并且受现有半导体技术水平的限制,若要制备更小波长尺度的三维光子晶体、晶体掺杂以及缺陷引入等方面却存在着很大的挑战。 2.胶体晶体法 早在1968年, Kriger等人就发现了由乳液聚合得到的聚苯乙烯胶乳(50～500nm)在体积分数超过35%时出现蛋白石特有的颜色。蛋白石是一种具有不完全带隙的光子晶体,其独有的颜色是由可见光的布拉格衍射产生的。由于胶体晶体的晶格尺寸在亚微米级量级,它可望成为制造近红外及可见光波段三维光子晶体的一条有效途径。 在溶液中,胶体颗粒小球表面带有电荷,在适当的电荷密度和颗粒浓度下,通过静电力相互作用,小球自组织生长成周期性结构,形成胶体晶体。在毛细容器中,利用胶粒与带电玻璃器壁的静电力相互作用。当胶粒体积分数较高时,胶体悬浮颗粒以面心立方( FCC)点阵堆积; 当体积分数较低时,倾向于体心立方(BCC)点阵堆积,晶体的密排面平行于器壁表面。 目前,已经制备的胶体晶体多为聚苯乙烯乳胶体系和二氧化硅胶体颗粒体系。遗憾的是它们不具备高的介电比和合适的网络拓扑结构,因而并不能产生完全光子带隙。为了提高介电比,可以将胶体晶体小心脱水,得到紧密堆积的蛋白石结构。 3.反蛋白石结构法 反蛋白石结构是指低介电系数的小球(通常为空气小球)以面心立方密堆积结构分布于高介电系数的连续介质中,这种结构将有望产生完全能隙。1997年Velev等人首先用经阳离子表面活性剂CTAB浸泡过的聚苯乙烯颗粒形成的胶体晶体为模 板,合成了含三维有序排列的空气球的二氧化硅反蛋白石材料。主要采用模板法,具体操作为:以颗粒小球所构成的紧密堆积结构为模板,向小球间隙填充高介电常数的Si, Ge, TiO2等材料,然后通过煅烧、化学腐蚀等方法将模板小球除去,得到三维空间的周期结构。Vlasov等人
光子晶体论文
光子晶体 摘要：光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，按其空间分布分为一维、二维、三维光子晶体，一维光于晶体已得到实际应用，三维光于晶体仍处于实验室实验阶段，由于其优良的性能，未来光子晶体材料必将得到大力开发，应用前景更广泛。本文简要的论述了光子晶体的原理，理论研究，材料制备以及相关的应用。光子晶体材料是本世纪最具潜力的材料之一，至从上世间八十年代后期提出这一概念后。光于材料的研究和应用得到了很太的发展，目前在光纤和半导体激光器中已得到应用，本文就光子材料的基本概念和研究现状综合评述并对其未来发展趋势作出相应预测。 关键字：光子晶体;材料制备;前景应用 Hotonic crystal Abstract:photonic crystal is a photonic band gap in periodic dielectric structure material, according to their spatial distribution is divided into one-dimensional, two-dimensional, three-dimensional photonic crystal, one-dimensional light in crystals have been obtained the practical application, 3D light in the crystal is still in the laboratory stage, because of its excellent performance, future photonic crystal material bound to get development, application is more extensive. This paper briefly discusses the principle of photonic crystal, theoretical research, preparation and application. Photonic crystal material is the most potential of one of the materials, to the world in the late eighty put forward this concept. Light in materials research and application has been great development, present in the fiber and semiconductor lasers have been applied, the photonic materials the basic concepts and research status are summarized and the future development trends to make the corresponding prediction. Keywords: photonic crystal material preparation and its application prospect 光子晶体的原理 1、什么是光子晶体 光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，所谓光子带隙是由于介电常数不同的材料在空间周期性排列导致介电常数的空间周期性，使得光折射率产生周期性分布，光在其中传播时产生能带结构，在带隙中的光子频率被禁止传播，因此称光子禁带，具有光子禁带特征的材料称光子晶体。因其具有光子局域、抑制自发辐射等特性，故光子晶体也被认为是控制光子的光半导体。
外界刺激引发表面润湿性变化的研究进展
Material Sciences 材料科学, 2018, 8(5), 471-481 Published Online May 2018 in Hans. https://www.360docs.net/doc/f19653011.html,/journal/ms https://https://www.360docs.net/doc/f19653011.html,/10.12677/ms.2018.85053 Progress of Surfaces with Stimuli-Responsive Wettability Han Zhang1, Danyuan Li2, Yongmao Hu2, Shuhong Sun1, Yan Zhu1* 1Kunming University of Science and Technology, Kunming Yunnan 2Dali University, Dali Yunnan Received: Mar. 23rd, 2018; accepted: May 7th, 2018; published: May 14th, 2018 Abstract Stimuli-responsive wettability means that the surface wettability can vary with environmental stimuli such as temperature, solvent, electric field, pH or light. Due to the special properties, sur-faces with stimuli-responsive wettability have great prospects in chemical engineering, medical treatment and agriculture. In this article, we summarize the research progress on surfaces with stimuli-responsive wettability. Keywords Stimuli-Responsive, Wettability, Smart Surface 外界刺激引发表面润湿性变化的研究进展 张瀚1，李丹媛2，胡永茂2，孙淑红1，朱艳1* 1昆明理工大学，云南昆明 2大理大学，云南大理 收稿日期：2018年3月23日；录用日期：2018年5月7日；发布日期：2018年5月14日 摘要 刺激响应润湿性是指通过在表面构建可根据环境刺激而产生形态结构改变、表面化学基团转换、表面孔洞填充情况变化的结构，使表面原有的润湿性发生改变，进而表现出刺激响应性的润湿变化。根据环境刺激的类型可以分为以下几类：温度响应、溶剂响应、电场响应、pH值响应和光响应刺激润湿性。刺激*通讯作者。
蛋白石及反蛋白石结构光子晶体_王振领
蛋白石及反蛋白石结构光子晶体 王振领 林 君* (中国科学院长春应用化学研究所稀土化学与物理重点实验室 长春 130022) 王振领 男,30岁,博士生,现从事溶胶-凝胶及发光的研究。 *联系人,E-mail :jlin @https://www.360docs.net/doc/f19653011.html, 2003-12-23收稿,2004-02-20接受 摘 要 光子晶体是由不同介电常数的材料构成的一种空间周期性结构,它能够在特定方向上禁 阻、控制和操纵光子的运动。目前,已制备的光子晶体具有几种不同的结构类型,本文主要综述了蛋白石、反蛋白石结构光子晶体的制备方法及其光子带隙的影响因素。 关键词 蛋白石 反蛋白石 光子晶体 光子带隙 Opal and Inverse Opal Photonic Crystals Wa ng Zhenling ,Lin Jun * (Key La bo ra tor y o f Rar e Ea rth Chemist ry a nd Phy sics,Cha ng chun Institute o f Applied Chemist ry , Chinese Academy of Sciences ,Cha ng chun 130022,China ) Abstract Pho to nic c ry sta l is a spatia lly periodic structure fa bricated f ro m mate rials having differe nt dielectric co nsta nts.It pr ovides a co nv enient and pow er ful to ol to co nfine,co ntro l,and manipula te pho tons in special dimensio n of space.Photo nic cry sta ls w ith sev eral differ ent structures hav e bee n pr epa red at present.In this paper the me tho ds for the pr epa ration o f o pal a nd inv erse o pa l pho to nic cr ystals and effects o n its pho tonic band g ap a re r ev iew ed briefly . Key words O pal ,Inv er se opal ,Pho tonic cr ystals ,Pho tonic band g ap 1987年,Yablonovit [1]和John [2]分别提出了光子晶体(PC),即具有光子带隙的周期性电介质结构的概念。光子带隙是光子晶体最主要的特征之一[3],当两种材料的介电常数相差足够大时,在电介质界面上会出现布拉格散射,产生光子带隙,能量落在光子带隙中的光将不能传播。光子带隙又可分为完全带隙和不完全带隙,所谓完全带隙,是指光子带隙结构中能够延伸至整个布里渊区(布里渊区是指在波失空间中的一些特定的区域,可以用描述电子能带结构的布里渊区来描述光子 的能带结构)的带隙:不完全带隙也称准带隙或抑制频带,是指只有在特定的方向上才有的带隙[4]。 光子局域是光子晶体的另一个特征,如果在光子晶体中引入某种缺陷,和缺陷态频率吻合的光子可能被局域在缺陷位置或只能沿缺陷位置传播[3]。依据光子带隙空间分布的特点,可以将光子晶体分为一维(1D )光子晶体、二维(2D )光子晶体和三维(3D )光子晶体[5]。 正如对半导体材料的研究导致电子工业的革命一样,对被称为“光子晶体”的一类新材料的研究可能会导致在光子技术领域的革命,在这场革命中,光子而不是电子将作为信息传递的主要载体[6]。当前光子晶体应用方面的研究工作主要集中在光子晶体反射器件、光子晶体发光二极管、光子晶体滤波器、光子晶体光纤、低阈值激光器等几个方面[7] 。光子晶体能否尽快地实用化,关键在于 光子晶体制备技术的发展。目前,制备光子晶体主要有三种方法[8]:微机械法、全息照相光刻蚀· 876·化学通报 2004年第12期 ht tp ://ww w .hx tb .o rg DOI:10.14159/https://www.360docs.net/doc/f19653011.html, k i .0441-3776.2004.12.002
生物体中的结构色
生物体中的结构色 专业：材料科学与工程学号：1120102282 姓名蒋雯 摘要：本文围绕生物体中的结构色这一主题广泛查阅资料后，对颜色及产生机理的基本知识做了简要介绍，进而详细叙述了结构色的产生机理、研究现状，还对自然界生物体中存在结构色的微结构及成色机理进行了详细的解释。最后，根据综述文献时受到的启发，作者提出了有创新性的几点设想，希望未来成为现实。 关键词：结构色；纳米结构；薄膜；光栅；光子晶体； 1 颜色及产生机理 在进行自然界中的结构色的讨论以前，我们有必要先了解颜色的有关知识以及它的产生机理。 颜色是由光产生的，但光并没有颜色，它只是具有某一或混合频率的电磁波。事实上，颜色是指入射到眼睛中的光线引起视网膜上感光细胞的膜中化学变化，产生电信号，这个信号经过视神经传输到大脑的视觉中心，给大脑翻译产生的结果。对于人类来说，可见辐射波长在380nm到780nm之间，如图1所示。生活中，我们感知的某种色调的色光，既取决于这种色光在可见光辐射波长区中占主要能量的那一部分辐射能量，也还取决于眼睛的视觉灵敏度[1]。 图1 电磁波谱分布图
颜色可分为彩色和非彩色两类。非彩色指白色、黑色和各种深浅不同的灰色组成的系列。彩色是指白黑系列以外的各种颜色。彩色有三种特性：明度、色调和饱和度。明度是人眼对物体明暗的感觉；色调是彩色彼此相互区分的特性；饱和度是指彩色的纯洁性。用一个三维空间纺锤体可以将颜色的三个基本特征——明度、色调、饱和度表示出来，如图2。立体的垂直轴代表白黑系列明度的变化；圆周上的各点代表光谱中各种不同的色调；从圆周向圆心的过渡表示饱和度逐渐降低[1、2]。 图2 彩色的三种特性示意图 根据以上的介绍，我们可知颜色是一个主观的颜色感知和客观的物理刺激相结合的产物。 1983年，美国科学家Kurt Nassau总结了15种可使某种物体被赋予色彩的方式，东华大学宋心远教授按照种类将这15种产生颜色的方法重新归类为5种：（1）电子的振动和简单激发，例如火焰、闪电以及碘等的颜色效应；（2）电子配位场效应的跃迁，如红宝石、祖母绿、绿松石以及各种金属络合染料中的金属络合颜色效应；（3）电子在分子轨道间的跃迁，如绝大多数有机染料和一些无机物的颜色效应；（4）电子在能带中的跃迁，如有色金属、半导体以及色心（紫晶、烟水晶）的颜色效应；（5）几何和物理光学效应，即色散、折射、散射、干涉和衍射的颜色效应。总结起来，即化学染色和物理生色[2]。 2生物体结构色研究现状
聚苯乙烯基凝胶光子晶体的制备.
聚苯乙烯基凝胶光子晶体的制备 光子晶体(photonic Crystal)是一种介电常数可以周期性调制的结构,是在二十世纪八十年代末发展起来的一种全新的功能材料。介电常数不同的介 质材料在空间中作周期性排列,可以改变在其间传播的光的性质。近年来,利用 胶体晶体自组装性质与水凝胶的传统应用相结合制成的凝胶光子晶体在药物释放、光学开关、金属探针、生物传感器等新应用方面的研究蓬勃发展,在新材料开发及临床应用等方面取得巨大进展。本论文主要通过选择制备方法和控制工 艺条件,制备了两种光子晶体的组成单元-单分散聚苯乙烯微球和聚苯乙烯/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸复合微球。主要研究内容包括以下两个部分:第一部分,系统完整地考察和总结了聚苯乙烯的合成方法、合成路线、合成配方和反应条件,确立了适用于本实验室的单分散聚苯乙烯微球的制备方法,得到了高圆度、 窄粒径分布的单分散聚苯乙烯微球,能够满足形成可见光波段胶体晶体的要求。然后,对于制备的单分聚苯乙烯微球,采用垂直沉积法自组装成面心立方晶体周 期性结构。利用光纤光谱仪研究了面心立方胶体晶体的不完全光子带隙效应,利用场发射扫描电镜观察了胶体晶体的结构特点和缺陷情况。通过反射光谱图和 扫描电镜照片判断、确定和优化了乳液聚合法主要制备工艺参数。最后,采用毛细力渗透法对聚苯乙烯微球组装的模板表面填充了含有2-丙烯酰胺基-2-甲基 丙磺酸功能单体的前驱液,待前体溶液交联聚合后,用溶剂溶解法除去模板后制 得带有磺酸基功能基团的反蛋白石结构凝胶光子晶体。该反蛋白石结构凝胶光 子晶体表现出鲜艳的结构颜色,保持了长程有序的周期性结构,并对Ca~(2+)具 有较强的吸附性,且Ca~(2+)的吸附量随着2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸功能单 体含量的增大而增大。第二部分,利用2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸对聚苯乙烯 胶体晶体进行改性。采用湿化学方法,建立了在聚苯乙烯微球表面包覆功能单体的方法,优化了单分散聚苯乙烯/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸微球的制备方法。扫描电镜表征结果表明,单分散聚苯乙烯/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸微球的粒径分布较均匀,能够实现初步胶体晶体自组装。 同主题文章 [1]. 袁凤乔. 2004年中国聚苯乙烯市场分析' [J]. 广东化工. 2005.(01) [2]. 王秀兰. 美国聚苯乙烯厂商苦苦挣扎' [J]. 工程塑料应用. 2002.(09) [3]. 黄衮威. 透明聚苯乙烯变色抑制剂' [J]. 合成材料老化与应用. 1986.(02) [4]. 张德秀. 我国苯乙烯现状和发展' [J]. 精细与专用化学品. 1992.(10) [5]. 董季苓. 耐磨聚苯乙烯的研制' [J]. 石化技术与应用. 1988.(01)
有序多孔结构二氧化钛薄膜的制备和应用
第29卷 第6期Vo l 29 No 6材 料 科 学 与 工 程 学 报Journal of M aterials Science &Engineering 总第132期Dec.2011 文章编号:1673-2812(2011)06-0811-06 有序多孔结构二氧化钛薄膜的制备和应用 赵莉南1,2,王 藜2,胡晓斌1,张 荻1 (1.上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海 200240;2.霍尼韦尔综合科技(中国)有限公司,上海 201203) 摘 要 本文探讨了一种制备二氧化钛高度有序多孔结构的方法及其在染料敏化太阳电池中的应用。采用聚苯乙烯悬浮液,采取垂直沉积法得到了聚苯乙烯胶体晶体;以该模板制备了高度有序的纳米二氧化钛反蛋白石多孔薄膜。对胶体晶体模板和二氧化钛反蛋白石有序膜的微观结构进行表征和讨 论。用所制得的二氧化钛反蛋白石有序膜组装成染料敏化太阳电池。通过电流电压(I -V )测试和电化学阻抗谱(EIS)等对该太阳电池进行了测试;对比纳米颗粒二氧化钛薄膜电池,反蛋白石薄膜的开路电压提高了0.24V,电池内阻降低了61.9%。 关键词 聚苯乙烯;反蛋白石;二氧化钛有序薄膜;染料敏化太阳电池 中图分类号:O484.1;TB34 文献标识码:A Fabrication and Application of Highly Ordered Porous TiO 2Films ZHAO L-i nan 1,2 ,WANG Li 2 ,HU Xiao -bin 1 ,ZHANG Di 1 ((1.State key Lab of Metal Matrix C omposites,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China; 2.Honeywell Integrated Technology (China)C o.,Ltd,Shanghai 201203,China) Abstract A preparatio n method o f a TiO 2highly -ordered po rous structure and its applicatio n in dy e -sensitized solar cells w ere ex plor ed.Poly styrene colloidal crystals w ere prepar ed by v ertical deposition in a po lystyr ene suspension.U sing the cr ystals as the template,thin TiO 2films w ith a highly -ordered nano poro us inverse -opal structure w ere prepared.The micro structures of the colloidal cry stal tem plate and TiO 2inverse -opal ordered films w er e char acterized and discussed.T hen dye -sensitized solar cells w er e fabricated w ith the TiO 2inverse -o pal ordered films.The solar cells w ere characterized by current -voltage (I -V )testing and electr ochemical im pedance spectro scopy (EIS).Compared w ith norm al nano -particle cells,the o pen circuit voltage o f the inverse -opal device increased by 0.24V,and the internal resistance decreased by 61.9%. Key words poly styrene;inv erse -opal;o rdered TiO 2film;dye -sensitized so lar cell 收稿日期:2011-03-08;修订日期:2011-04-18 作者简介:赵莉南(1980-),硕士研究生,从事纳米无机材料研究以及功能材料和器件的结合应用。E -m ail:linan zhao@hotm https://www.360docs.net/doc/f19653011.html, 。 1 前 言 纳米材料具有特殊的结构和性能,可广泛应用于电子、光学、机械装置、生物医药等领域。在特定模板中合成及构建有序纳米结构体系的模板合成法是一种新发展起来的纳米微粒控制合成制备方法。选用具有特定结构的物质作为模板,利用模板的空间限域作用和调控作用来引导纳米材料的制备与组装,从而把模 板的结构复制到产物中去,实现对纳米材料的组成、结 构、形貌、尺寸、取向和排布等的控制,使制备的材料具 备各种预期的或特殊的化学物理性质。1987年Yablonovitch [1]和John [2]分别提出光子晶体的概念以来,光子晶体已成为当代的研究热点,蛋白石和反蛋白石的研究越来越多,用人工制备的蛋白石作为模板,向其结构的空隙中填充前驱体,再用化学或者物理的方法除去原模板材料以得到周期排列的反蛋白石结构。 在太阳电池领域,自1991年Gratzel 小组 [3] 报道
光子晶体的一些制备方法
精密机械加工法，半导体微纳米制造法，胶体晶体自组装法，反蛋白石结构法，液晶全息法。 制作三维光子晶体的方法最简单的是层层堆积法即把许多片状的二维周期性结构叠加成三维光子晶体基本组成单元是一维介电柱。这种方法是E.Ozbay等人提出来的。这种结构被称为“木柴垛结构” 像堆积木一样先堆好一层再按一定规则堆第二层依次堆下去最后得到一定结构的三维光子晶体。其中每一层的一维介质柱都平行排列相互间距为a;第二层介质柱与第一层介质柱夹角为90;单数层的排列是一样的 双数层的排列是一样的但是第三层与第一层位移差了a/2;第四层和第二层也也位移了a/2;第五层与第一层继续重复。实验上第一次用氧化铝做出了这种结构光子带隙在12-14GHz波段。这种三维光子晶体是具有面心四面对称性的全方位光子带隙其相邻两层有60到90度的角度变化。可以用离子束刻蚀、分子束外延以及气相沉积等手段来实现。原则上这种层层堆积方法来制造三维光子晶体很可行但是这种方法制作也有它的缺点工艺繁琐所以不适用大规模生产成本也很高。当光子晶体结构的周期降到亚微米后会受到现有半导体工艺技术的限制所以用这种制备法来制作光学波段的三维光子晶体挑战还是很大的。 激光全息干涉法是利用了激光在光阻掩模板上刻蚀的方法。它是利用多光栅光束同步激光在空间产生很好的周期性周期长度可以调节。这种方法刻蚀面积大能产生三维的空间周期结构。Berger等首次应用三个光栅的激光在硅片上形成了二维的六角周期结构光子晶体。 I.B.Divliansky应用激光干涉法制备出三维光子晶体。2001年Kondo等
人研制出制作光子晶体的一套适合多束激光脉冲干涉的光学装置该装 置可随意地改变干涉光束数而制做出一、二、三维光子晶体。总之利用多束激光干涉法很容易制备大面积且具有一定厚度的三维光子晶体 这是其他方法不容易做到的。这样可以使周期性干涉图样和相干激光的波长在数量级保持一致同时改变激光光束的传播方向、偏振和数量使三维形状的尺寸和结构发生变化从而得到各不同的对称结构。所以用激光全息干涉法制作出的光子晶体涵盖的所有光波波长的范围从而满足了人们生产研究的需要。由于光子晶体在各个方向上都具有对称性 用物理打孔的方法很难在纳米尺度下加工出复杂结构的三维光子晶体。胶体自组装法可以控制纳米粒子的堆积方式从而实现红外波段和周期可见光的三维周期结构制备的方法比较简单。蛋白石是一种具有不完全带隙的光子晶体典型的方法是用二氧化硅排列为三维面心立方结构并由可见光布拉格衍射产生出特有的颜色。天然的蛋白石是一种宝石。二氧化硅胶体在重力场作用下在悬浮液中能自发排列成有序的周期性结构通过干燥后成为合成蛋白石它由数百个纳米的二氧化硅胶体颗 粒有序排列在三维空间内而成的。现在主要有电泳法、诱导有序化法、场、自然沉降法、离心沉积法和强制有序化法等溶液中当颗粒浓度和电荷密度合适的情况下表面带有电荷的胶体颗粒经过静电力的相互 作用小球自组织生长成周期性结构从而形成胶体晶体。在毛细容器中利用胶粒与带电玻璃器壁的静电力相互作用。若所占体积分数较低时 倾向于体心立方(BCC) 点阵堆积晶体的密排面和器壁表面相互平行;