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 @

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/ k i .0441-3776.2004.12.002

法[9]、胶体自组装法。物理方法制备光子晶体一般较为复杂、费时、成本高,又需多个步骤才能完成,一般实验室难以实现。相比之下,胶体自组装法是一种简单、快速、廉价的化学制备方法。单分散的胶体粒子通过自组装而形成的三维光子晶体,具有与天然蛋白石相同的立方密堆积结构,称为人工蛋白石(图1(a )),人工蛋白石可由SiO 2胶体粒子制备,也可由聚合物胶体粒子如聚苯乙烯(PS )胶乳、聚甲基丙烯酸甲酯(PM M A )胶乳等制备。这种人工蛋白石可作为模板,在胶体粒子的间隙充填具有较高折射率的无机材料,除去模板得到具有反蛋白石结构(图1(b))的光子晶体

[10]。本文主要

就蛋白石及反蛋白石结构光子晶体的研究进展作一评述

。图1　蛋白石(a )和反蛋白石(b )结构示意图[11]

Fig .1　Schematic diagrams of opal (a )and inverse opal (b )[11]

1　蛋白石结构光子晶体

1.1　单分散胶体粒子的制备

影响蛋白石结构光子晶体的质量及光子特性的因素很多。其中,一个最重要的因素是胶体粒子的单分散性,单分散性不好会导致蛋白石结构的无序性并产生位错,这些缺陷会对入射光产生很强

的随机散射,从而使蛋白石的透光率大大降低[12],最终可能会失去光子晶体的特性。因此,为得到

蛋白石结构光子晶体,首先必须制备出单分散性良好的胶体粒子。

单分散无机胶体粒子(如SiO 2)通常用沉淀反应来制备,该制备过程一般包括两个连续阶段:成核及核的生长。为了得到单分散的胶体粒子,这两个阶段必须严格分离,在核的生长阶段应避免成核作用,所以应严格控制反应条件如反应温度、溶液的p H 、反应物混合的方法、滴加速度、反应物浓度、溶液中的反离子浓度等。单分散的聚合物胶乳常通过乳液聚合过程制备,该方法的主要组分包括单体、分散介质(大多为水)、乳化剂(表面活性剂)、引发剂(通常是水溶性的)。利用该法可大量制备单分散的聚合物胶乳,如PS 、PM M A 等。单分散聚合物胶乳中胶粒的粒径可在较宽的范围(20nm ～1μm)内任意调控,其表面所带电荷的正负性可通过改变分散介质的p H 来调控。

最近,单分散胶体粒子的制备又有了一些新的发展。例如,Lu 等[13]利用溶胶凝胶法,通过改变

加入Na 2SO 4的浓度,合成了棒状、花生状等不同形状的单分散铁氧化物胶体粒子,改变合成条件可在150nm ～5μm 的范围内调控粒子的直径,以这些非球形的胶体粒子作为构建材料制备的光子

晶体具有一些球形构建材料合成的光子晶体所不具备的特性。Wa ng 等[14]制备了单分散SiO 2微球

(～100nm )的纳米复合物,Ag 量子点(2～5nm )均匀分布在SiO 2微球的表面,这种复合物的形貌

受控于微乳液中原硅酸四乙酯(TEO S)水解时光还原Ag +的时间,Ag 量子点在438nm 处具有等

离子体共振吸收带,复合物粒子的表面带有电荷,易于自组装形成光子晶体。J iang 等[15]将钛的乙二醇二乙醇酸酯母体加入含有少量水(体积分数约为0.3%)的丙酮中,经均相成核和生长过程及相应的后处理得到单分散的TiO 2胶体粒子,该法通过改变母体的浓度(0.68～ 1.2mmo l /L ),可在200～500m 范围内调控TiO 2胶体粒子的直径。在众多的无机半导体材料中,TiO 2由于其在可见和近红外区吸光度较低,并具有较高的折射系数(锐钛矿2.4,金红石2.9),因此被认为是制备光子晶体的理想候选材料。

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