蛋白石及反蛋白石结构光子晶体_王振领
tam教授的光子晶体
tam教授的光子晶体光子晶体是一种具有周期性结构的材料，可以控制光的传播和操控光的性质。
tam教授在光子晶体领域做出了重要的贡献，他的研究成果在光子学、纳米技术和量子信息等领域有着广泛的应用。
光子晶体的周期性结构是由介质的折射率分布所决定的。
tam教授的研究主要集中在设计和制备光子晶体的方法和技术上。
他提出了一种基于自组装技术的制备方法，通过控制材料的相互作用力，使得光子晶体的周期性结构能够自发形成。
这种自组装方法不仅简单高效，而且可以制备出大面积的光子晶体材料。
tam教授的研究还涉及到光子晶体的光学性质。
光子晶体具有禁带结构，即存在禁止光的传播的频率范围。
tam教授通过调控光子晶体的结构参数，成功地实现了对禁带的调控。
他发现，通过改变光子晶体的周期、介质的折射率等因素，可以调节禁带的位置和宽度，从而实现对不同波长光的选择性传输和过滤。
这种调控禁带的能力为光子晶体在光通信和光传感等领域的应用提供了新的可能性。
除了光学性质，光子晶体还具有声学、电磁、热学等多种性质。
tam 教授的研究还包括光子晶体的多功能性应用。
他通过改变光子晶体的结构和材料，成功地实现了对声波、电磁波和热传导的调控。
这种多功能性使得光子晶体在声学器件、电磁波吸收和热管理等领域有着广泛的应用前景。
tam教授的研究成果在科研界和工业界引起了广泛的关注。
他的研究不仅推动了光子晶体领域的发展，也为其他领域的研究提供了新的思路和方法。
他的成果已经产生了重要的应用价值，并取得了一系列的专利。
tam教授还积极推动学术交流和合作，他的团队与国内外许多研究机构和企业建立了广泛的合作关系。
tam教授的光子晶体研究为光学和材料科学领域带来了重要的突破。
他的成果不仅在基础研究方面有着重要的意义，而且在应用领域也有着广泛的应用前景。
相信在tam教授的带领下，光子晶体领域将会取得更加令人瞩目的成就。
二氧化钛光子晶体的制备及其光学性能的研究
２ ３ 测 试 ．
制备 的介 空 （ ３ ０ ｍ） 氧 化 钛 光 子 晶体 ， 建 林 ＞ ０ｎ 二 李 等利用 Ｐ ＭＭＡ作 模板 制 备 的二 氧 化 钛 光子 晶体 粒 径 在 ２ ０ ｍ左 右 ｌ 。不 过 目前 制 备 的反 蛋 白石 结 构 的 ２ｎ ６ 二氧化 钛薄膜 都 存 在 二 氧化 钛 填 充 率 不 高 ， 膜 裂 纹 薄 缺陷严 重等 问题 ， 要对 其制 备工 艺进 一步 研究 改善 。 需
上 利用 匀 胶 机 旋 涂 成 膜 。将 涂 覆好 的 膜 放 人 烘 箱 在
８ ℃下 热 处理 １ ｍｉ 证 大部 分 溶 胶水 分 挥 发 ， ｏ ５ ｎ保 然后 重 复涂溶 胶 以提 高溶胶在 Ｐ Ｓ小球 间隙 的填充 率 。 将 涂 覆好 溶胶 的薄膜 放 人 马弗 炉 里 高 温 处 理 ， 炉
Ｙａ ｌｎ ｖｔｈ２ 自独 立 提 出 来 的 。 Ｅ Ｙａ ｌｎ ｖｔｈ ｂｏ ｏ ｉ ｌ 各 ｃ ． ｂｏ ｏ ｉ ｃ
二氧 化钛 反蛋 白石结 构 光子 晶体 的制 作是 先 制备 Ｐ Ｓ光子 晶体 正模 板 ， 后 利 用 二 氧 化钛 溶 胶 渗 透 Ｐ 然 Ｓ
光子 晶体 小球 间 隙 ， 后 通 过 烧 结 去 掉 Ｐ 得 到 二 氧 最 Ｓ， 化钛 反蛋 白石结 构 。
李 文 侑 等 ： 氧 化 钛 光 子 品体 的制 备及 其 光 学 性 能 的研 究 二
二 氧化 钛 光 子 晶体 的 制 备 及 其 光 学 性 能 的研 究
光子晶体
4 1.2% Compressively Strained InGaAsP QWs Slab thichness: 10nm QWs separated by 23nm barriers Lattice constant: = 550nm, Radius of the holes: d=215nm Central defect cavity: 19 holes
Core diameter: 10.5m
PCF 制备工艺
带隙宽度可调PCF
Holes filled with air: TIR n589nm=1.80 2000-1 band gap
Holes filled with high n liquid : PBG 3dB band width for gaps=1400nm
PCF 制备工艺
单模有机聚合物光子晶体光纤
PCF 特性
1. 宽带低损单模传输
Near-field pattern
Interstitial holes
Nearfield pattern
528 nm
458 nm
Far-field pattern
633 nm 528 nm 458 nm
The relative intensities of the six lobes was varied and nearly equal. No other mode field patterns are observed confined to defect region. No confined mode could be observed at 633nn.
(c )(d) Patterned photonic crystals with high aspect ratios
二氧化硅光子晶体
二氧化硅光子晶体二氧化硅光子晶体是一种由二氧化硅材料构成的具有周期性结构的光子晶体。
光子晶体是一种能够控制光的传播和操控光的性质的材料。
二氧化硅光子晶体由一系列周期性排列的孔洞组成，这些孔洞的尺寸和形状决定了光子晶体对光的传播和反射的特性。
通过调整孔洞的尺寸和间距，可以实现对特定波长的光的选择性反射和传导，从而实现光的波长选择性过滤和分离。
二氧化硅光子晶体的孔洞通常以六角形排列，形成六角形的光子晶格结构。
这种结构对光的传播具有周期性的折射率分布，形成了光子带隙。
光子带隙是一种禁带，位于光子晶体的光频率范围内，使得特定频率范围内的光无法在光子晶体中传播，而被完全反射或吸收。
二氧化硅光子晶体具有许多优异的光学性质。
首先，它具有较高的折射率和较低的损耗，使得光在其中传播时能够保持较高的透明度和传输效率。
其次，光子晶体的光子带隙可以用来实现光的波长选择性过滤和分离，可以广泛应用于光通信、光传感和光子集成等领域。
此外，二氧化硅材料本身具有较好的热稳定性和化学稳定性，使得光子晶体在高温和腐蚀性环境下仍能保持良好的性能。
二氧化硅光子晶体的制备方法多种多样，常见的方法包括干法制备和湿法制备。
干法制备主要是利用光刻和干蚀刻技术，在硅基底上制备出所需的光子晶体结构。
湿法制备则是通过溶胶-凝胶法或自组装法，在溶液中自组装形成二氧化硅光子晶体结构。
二氧化硅光子晶体具有广泛的应用前景。
在光通信领域，光子晶体可以用于实现高速、高容量的光通信传输和光信号处理。
在光传感领域，光子晶体可以用于实现高灵敏度、高选择性的光传感器，用于检测和测量环境中的各种物理和化学量。
在光子集成领域，光子晶体可以与其他光学器件结合，形成复杂的光学系统，实现光的控制和操控。
二氧化硅光子晶体是一种具有周期性结构的光子晶体，通过调整孔洞的尺寸和间距，可以实现对特定波长的光的选择性反射和传导。
它具有许多优异的光学性质和广泛的应用前景，对于推动光学技术的发展和应用具有重要意义。
纳米光子晶体和金属光子晶体的制备及其应用
纳米光子晶体和金属光子晶体的制备及其应用纳米光子晶体和金属光子晶体是一种新型的光子材料。
它由周期性的光学介质或金属结构组成，这些结构可以控制、操纵光的传输和反射。
本文将介绍纳米光子晶体和金属光子晶体的制备技术及其在光电子学、光催化、光电子器件等方面的应用。
一、纳米光子晶体的制备技术纳米光子晶体是一种尺寸在纳米级别的光子晶体，其制备技术主要包括自组装和模板法。
自组装技术是在合适的溶液条件下，由于分子之间特异的物理化学作用而形成的。
模板法则是通过一定的模板来控制某些物质的排列方式。
自组装技术中，最常用的是胶体自组装法。
该方法的主要原理是以一种珠子形状的“胶粒”为单位，在合适的浓度条件下，它们会为了最小表面自由能而聚集起来，最终形成一个光子晶体，具有周期性的结构。
该方法还可以通过改变胶粒的大小、形状、表面的化学性质等来控制光子晶体的反射和吸收性能。
模板法中，最常用的是压印法和模板剥离法。
压印法是利用微纳加工技术在介电材料上形成周期性的凹陷图案，然后利用薄膜沉积技术来制备周期性的光子晶体。
而模板剥离法则是制备一个与所需光子晶体结构相同的模板，然后通过沉积薄膜并剥离模板来制备光子晶体。
这些方法都可以得到高质量、可控制的纳米光子晶体。
二、金属光子晶体的制备技术金属光子晶体是将光学介质与金属结合在一起制备而成的，其制备技术包括化学还原、电化学沉积和热蒸发等方法。
化学还原法是通过将化学还原剂加入到金属盐溶液中，还原金属离子制备光子晶体。
电化学沉积法是通过电化学反应在金属表面沉积一层光学介质来制备光子晶体。
热蒸发法则是通过控制蒸发速率和温度来制备金属光子晶体。
这些方法都可以得到高质量的金属光子晶体。
三、纳米光子晶体和金属光子晶体的应用纳米光子晶体和金属光子晶体的应用十分广泛，主要归结为以下几个方面：1. 光电子学：光子晶体可以用于构建新型的光电子材料和器件，如光滤波器、分光器、波导器等。
光子晶体波导在高速通讯中具有重要的作用。
光学性质的光子晶体PhotonicCrystal
光学性质的光子晶体PhotonicCrystal美国科学家研发出了一种新方法，改变了半导体的三维结构，使其在保持电学特性的同时拥有了新的光学性质，并据此研制出了首块光学电学性能都很活跃的新型光子晶体(Photonic Crystal)，为以后研制出新式太阳能电池、激光器、超材料等打开了大门。
研究发表在最新一期《自然·材料学》杂志上。
光子晶体(Photonic Crystal)材料具有独特的物理结构，它能采用不同于传统光学材料和设备的特殊方式诱发非同寻常的现象并影响光子的行为，可广泛应用于激光器、太阳能设备、超材料等中。
之前由科学家们研制出的光子晶体(Photonic Crystal)只能得到用光学方法激活的设备，这些设备能引导光，但无法被电所激活，因此，其无法将电变成光或相反。
伊利诺斯大学材料科学和工程学教授保罗·布劳恩领导的科研团队研制出的最新光子晶体(Photonic Crystal)却兼具光学和电学性质。
该研究的参与者埃里克·尼尔森解释道，新光子晶体(Photonic Crystal)可以让光学和电学性能同时达到最优化，这就使人们能更好地控制光的散射、吸收以及增强。
为了制造出该三维光子晶体(Photonic Crystal)，科学家们先让一些细小的球簇拥在一起形成一块模板，接着，他们将一种广泛应用于半导体中的材料砷化镓(GaAs)沉积在模板上，让砷化镓通过模板填充球之间的缝隙。
砷化镓作为单个晶体开始从下往上生长，这个过程被称作外延生长技术，工业界一般使用该技术来制造平的、二维的单晶体半导体薄膜，但布劳恩团队却对这种技术进行了升级改造，用来制造错综复杂的三维结构。
这种自下而上的外延生长技术消除了制造三维光子结构普遍采用的自上而下构造方法可能导致的很多缺陷。
另一个好处是，它让制造出层层堆积而成的半导体异质结构变得更方便。
例如，可以通过先用砷化镓部分填充该模板，再用另一种材料填满，从而将一个量子势阱层引入光子晶体(Photonic Crystal)中。
光子晶体的能带理论
光 子 晶 体 的 研究 成 为各 国 的热 点 ， 子 晶体 是 一 种 介 质 在 另 一 种 光 介 质 中 周 期 性排 列组 成 的 人 造 晶体 。 这种 材 料对 光 具 有 选 择 特 性 ， 即 有 些 波 长 的 光 不 能 在 光 子 晶体 中存 在 或传 输 。 子 晶体 具 有 控 制 光 传 光 输 的 独 特 性 质 ． 以 光 子 晶体 材 料 的 制 备 ， 用 和 理 论 有 发 展 是 很 重 所 应
【 ｙｗ ｒ ｓｐ ｏｏ ｒｓ ； ｏ ｎｃｂ ｎ ａ；ｈｔｎｃ ａｄ Ｋｅ ｏ ｄ ］ｈ ｔ ｃ ｔ ｐ ｔ ｉ ａ ｄｇ ｐ ｏｏ ｉｂ ｎ ｎｙ ａ ｈｏ ｌ ｐ
１ 引 言 ．
在 所称 的 光子 晶体 。在 这 种 超 晶格 中 ， 子 呈 现 出很 强 的 Ａ ｄｒｏ 光 ｎ ｅｓｎ局
【 ｓｒｃ ］ｈ ｈｔｎ ｃｙｔ ａ ｈ ｈｔｎｅ ｂ ｎ ａ ｄ ｔｅ ｐｏｏ ａ ｄ ｐ ｓｉｌ ｈ ｓｔｅ ｐ ｏｏ ａｄ ｇｐ Ａｂｔａ ｔＴ ｅ ｐ ｏ ｒｓ ｌｈ ｓｔｅｐ ｏ ｉ ａｄ，ｎ ｈ ｈ ｔｎ ｂ ｎ ｏｓ ｙ ａ ｈ ｈｔｎ ｂｎ ａ ．Ｗｅ ｃｎ ｃｎｒｌｔｅ ｌ ｈ ｏ ａ ｏ ｂ ａ ｏ ｔ ｈ ｉ ｔ ｏ ｇ
代 新 材 料 的 探 索 一 直 是人 类 奋 斗 的 目标 。
模 式 。但 是 ， 旦 光 子 晶体 原 有 的对 称 性 被 破 坏 ， 如 加 入 杂质 ， 光 一 例 在
如 １所 光子是玻色子 ， 中性 粒 子 。其 在介 质 中传 播 的 速 度 上 快 于 费 米 子 子 晶体 有 禁 带 中 央就 会 出现 频 率 极 窄 的 缺 陷 态 ， 图 （ ） 示 。 的 电 子 ， 且 ． 子 彼 此 间不 存 在相 互 作 用 。 光 子代 替 电子 来 传 递 信 并 光 用 息 ， 传 输 速 度 将 快 的 不 可 想 象 。 因此 科 学 家 希 望 在 一 种 新 型 的光 学 其 材 料 中 能 像 半 导 体 那 样 控 制 光 的运 动 。 子 晶体 是最 有 可能 希 望 实 现 光
化学竞赛晶体结构综合例题
晶体结构综合例题令狐采学一．有一立方晶系的离子晶体，其结构如右图所示，试回答：1．晶体所属的点阵形式及结构基元；2．已知rCs+＝169pm，rCl＝181pm，试问此两种离于联合组成了何种型式的密聚积；3．Cu2+处在何种空隙里？4．指出各离子的配位情况？解：1. 立方P，CaCsCl3 ;2.A1型（立方面心）聚积, Cs＋，Cl－离子半径年夜致相近;3. 八面体空隙中;4. Cu2＋周围Cl－配位数6，Cs＋配位数8；Cl－周围Cu2＋配位数2，Cs＋配位数4； Cs＋周围Cl－配位数12，Cu2＋配位数8。
二．黄铜矿是最重要的铜矿，全世界的2/3的铜是由它提炼的。
1．右图为黄铜矿的晶胞。
计算晶胞中各种原子的数目,写出黄铜矿的化学式;2．在高温下，黄铜矿晶体中的金属离子可以产生迁移。
若铁原子与铜原子产生完全无序的置换，可将它们视作同等的金属离子，请说出它的晶胞。
3．在无序的高温型结构中，硫原子作什么类型的聚积？金属原子占据什么类型的空隙？该空隙被金属原子占据的分数是几多？4．计算黄铜矿晶体的密度; （晶胞参数：a=52.4pm ，c=103.0pm ；相对原子量：Cu63.5 Fe55.84 S32.06）。
解：1. 各种原子的数目Cu, Fe, S: 4, 4, 8; 黄铜矿的化学式CuFeS2 ;2. 它的晶胞与ZnS 晶胞相同；但金属离子随机性为50%;（如图）；3. 硫原子作A1型（立方F ）聚积;隙;该空隙被金属原子占据的分数1/2;4.容易计算黄铜矿晶体的密度 4.31g/cm3 . 三．冰晶石（Na3AlF6胞是以年夜阴离子（AlF63－）构成的面心立方晶格，Na ＋可看作是填充在晶格的空隙中，已知冰晶石的密度为 2.95g/cm3，Al —F 键长181 pm ，相对原子质量：Na 23.0；Al 27.0；F 19.0。
1．指出AlF63－配离子中心离子的杂化轨道类型、配离子空间构型和所属分子点群。
光锥 光子晶体
光锥光子晶体
光锥是指在一定波长范围内，允许光线通过的一个封闭几何体。
它能够限制光线的传播方向，并且只允许特定角度范围内的光线通过，其他方向的光线则被完全反射或吸收。
光锥的形状可以是锥形、柱面形等，具体形状取决于特定的设计需求。
光子晶体是一种具有周期性折射率结构的材料，能够控制光的传播行为。
它是由周期性排列的高折射率和低折射率材料交替构成的。
当光波在光子晶体中传播时，会出现光子禁带现象，即光子在某些频率范围内无法传播，类似于导体中的电子禁带。
光子晶体可以通过调节其周期和折射率来控制禁带的宽度和位置，从而实现对光的频率、方向和极化态的控制。
光子晶体在光学通信、传感器、光电子器件等领域具有广泛的应用。
它可以用于制作光纤耦合器、滤光片、光波导、光源等器件，实现高效率、高稳定性的光传输和光控制。
此外，光子晶体还可以用于研究光的量子效应和非线性光学现象，有助于深入理解和开发光学领域的新技术和新材料。
蛋白石矿物学特征的研究综述
蛋白石矿物学特征的研究综述王 茜，张亦恺（桂林理工大学 地球科学学院，广西 桂林 ５４１００４）摘 要：为了准确区分不同产地的蛋白石，作者分别选取了多篇国内外研究文献，参考不同的矿床成因，综合比较分析了它们的矿物学特征以及光谱学特征等特征，对现有文献作大致梳理。
结果表明，不同产地蛋白石间虽然差异不大，但根据蛋白石不同成因进行鉴定有较好的效果，火山成因型蛋白石与风化壳型蛋白石在光谱图像、色斑特征、结晶程度、内部结构等方面存在显著不同。
关键词：蛋白石；矿物学特征；红外光谱；热重分析中图分类号：Ｐ５７５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０２１）０７－０１６５－２The review of the research on the mineralogical characteristics of opalineWANG Xi，ZHANG Yi-kai（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅａｒｔｈ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｇｕｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ ５４１００４，Ｃｈｉｎａ）Abstract: Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈ ｏｐａｌ ｆｒｏｍ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｒｉｇｉｎｓ， ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｓｅｖｅｒａｌ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ｆｏｒｅｉｇｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｓ，ｒｅｆｅｒｒｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｇｅｎｅｓｉｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｒｅ ｄｅｐｏｓｉｔｓ，ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ ｃｏｍｐａｒｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅｉｒ ｍｉｎｅｒａｌｏｇｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｓｐｅｃｔｒａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ａｎｄ ｓｏｒｔｅｄ ｏｕｔ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ａｌｔｈｏｕｇｈ ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ｌｉｔｔｌｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｏｐａｌｓ ｆｒｏｍ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｒｉｇｉｎｓ，ｔｈｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇｅｎｅｓｉｓ ｏｆ ｏｐａｌｓ ｈａｄ ｂｅｔｔｅｒ ｅｆｆｅｃｔ．Keywords: ｏｐａｌ； ｇｅｍｏｌｏｇｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ； ＩＲ ｓｐｅｃｔｒｕｍ； ｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ学术界一般把蛋白石按照结构分为三种：A型蛋白石（opal-A），也称非晶态蛋白石、CT型蛋白石（opal-CT）、C型蛋白石（opal-C），自然界的蛋白石硅质岩都是由前面2种蛋白石组成的。
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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@ns.ciac.jl.cn2003-12-23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
OpalandInverseOpalPhotonicCrystals
WangZhenling,LinJun*(KeyLaboratoryofRareEarthChemistryandPhysics,ChangchunInstituteofAppliedChemistry,ChineseAcademyofSciences,Changchun130022,China)
Abstract Photoniccrystalisaspatiallyperiodicstructurefabricatedfrommaterialshavingdifferentdielectricconstants.Itprovidesaconvenientandpowerfultooltoconfine,control,andmanipulatephotonsinspecialdimensionofspace.Photoniccrystalswithseveraldifferentstructureshavebeenpreparedatpresent.Inthispaperthemethodsforthepreparationofopalandinverseopalphotoniccrystalsandeffectsonitsphotonicbandgaparereviewedbriefly.Keywords Opal,Inverseopal,Photoniccrystals,Photonicbandgap
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 http://www.hxtb.org
DOI:10.14159/j.cnki.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SiO2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(PMMA)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 Schematicdiagramsofopal(a)andinverseopal(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SiO2)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pH、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、PMMA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pH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Na2SO4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。Wang等[14]制备了单分散SiO2微球(～100nm)的纳米复合物,Ag量子点(2～5nm)均匀分布在SiO2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(TEOS)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。Jiang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TiO2胶体粒子,该法通过改变母体的浓度(0.68～1.2mmol/L),可在200～500m范围内调控TiO2胶体粒子的直径。在众多的无机半导体材料中,TiO2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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化学通报 2004年第12期1.2 具有核-壳结构的单分散胶体粒子Velikov等[16]制备了一种具有核-壳结构的胶体粒子,该粒子的核由ZnS构成,壳由SiO2构成,或者相反。通过改变核-壳的相对厚度,能够调控复合粒子物质的组成及化学性质;通过核的溶解还可得到具有空心壳层结构的胶体粒子。由于ZnS具有较高的折光系数(～2.36),因此这种复合粒子能够作为光子晶体的构建材料。随后,该研究小组又制备了具有金属介电特性的核-壳结构胶体粒子,该复合粒子的核由SiO2构成,壳由Au构成,如果溶解除去核SiO2,则得到空心的Au壳层,在Au壳层的表面也可包覆SiO2,包覆SiO2壳层后不但减少了范德华力的相互作用,而且便于进行表面修饰。由于这种核-壳结构胶体粒子的单分散性、光学性能的可调控性以及SiO2壳层的多功能性,因此可作为构建材料制备金属介电光子晶体[17]。Lu等[18]用无定形的SiO2包覆Au纳米粒子形成具有核-壳结构的球形胶体粒子,通过改变溶胶凝胶母体的浓度或涂敷时间可以在数十至几百纳米的范围内调控SiO2壳层的厚度。总之,由这些具有核-壳结构的胶体粒子作为构建材料得到的光子晶体,其光性能不同于由SiO2胶体粒子构成的光子晶体。1.3 单分散胶体粒子的自组装单分散胶体粒子的自组装是合成蛋白石结构光子晶体的关键步骤,常见的自组装方法如图2[19～22]。
重力场沉降法[4](图2(a))是一种利用单分散胶体粒子在重力场作用下自发形成蛋白石结构的较简单的自组装方法。事实上,该法是重力沉降、布朗运动、晶化作用等多种复杂过程相互作用的结果,其成功与否的关键在于严格控制几个参数,如胶体粒子的粒径和密度、沉降速率等,只有当沉降过程足够慢时,浓缩在容器底部的胶体粒子才会发生从无序向有序的转化,进而形成蛋白石结构。如果胶体粒子的粒径较小(<0.5μm)和(或)其密度与分散介质的密度相接近,则会成为平衡的分散体系而不发生沉降。沉降法的不足之处在于,不能控制蛋白石结构层数及上表面的形貌;沿重力场方向蛋白石的密度及有序性不同;所需时间相对较长(数周至数月)。离心法是借助于离心力的作用使粒子发生有序自组装的方法(如图2(b)),离心力的大小、离心时间长短等因素均会影响所形成的蛋白石结构。过滤法(如图2(c)):Holland等[23]采用布氏漏斗真空抽滤,得到排列规则的PS蛋白石结构,该法易于控制沉积的速度及蛋白石结构的厚度,也易于洗涤及在蛋白石结构的间隙充填不同的介质。 对流自组装法:随着液膜中水的蒸发,粒子浓度逐渐增加,胶粒由于具有较高的体积分数而首先晶化,这种晶化作用由于水的对流而增强,因此胶体粒子在拖尾处(如图2(d))或弯月面的中部(如图2(e))聚集而形成具有蛋白石结构的晶体[20]。该法的一个重要特征是可以控制晶体的厚度,
胶体粒子沉积层的数目k与粒子的粒径大小和体积分数有关[24]:k=ULH/0.605d(1-H)式中L为弯月面的高度,U为粒子与溶液的流速比(～1),d为胶体粒子的直径,Υ为溶液中粒子的体积分数。电泳沉积法(图2(f)):在重力沉降法中,如果胶体粒子太小,则沉降速率极慢,甚至不能发生;如果胶体粒子太大,则由于沉降速率太快而得不到有序的结构。Holgado等[21]利用胶体粒子的电泳现象可调控沉降的速率,很好地解决了这一问题。Rogach等[25]利用电泳沉积法将乙醇-水体系中带负电的单分散亚微米级PS小球沉积到ITO玻璃上得到三维胶体晶体。该法与重力沉降法相比极为迅速,仅需数分钟。物理限制法[22]:实验装置如图2(g),小池由两片玻璃基质和一个预先用光致抗蚀剂图案化了的一种玻璃基质框架构成。用注射器向小池中注入单分散胶体粒子的稀溶液,一边框上的孔道既可