[发明专利]非密堆反蛋白石光子晶体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光子晶体的制备方法，特别涉及一种非密堆反蛋白石光子晶体的制备方法。

背景技术

光子晶体是一种介电常数周期性变化排列的材料，最根本的特征是具有光子带隙。光子晶体可分为蛋白石结构光子晶体和反蛋白石结构光子晶体。目前，自组装法是制备蛋白石结构光子晶体的主要方法之一，但由于自组装法中所用胶体球要求为粒径分布窄、分散性好的球体颗粒，主要采用二氧化硅和聚苯乙烯，而二氧化硅或聚苯乙烯的折射率较小，只有方向带隙。而向胶体晶体的空隙中填充高折射率材料然后去除胶体晶体模板，形成反蛋白石结构光子晶体，并且，当填充材料的折射率足够高时(n＞2.85)，将会出现完全带隙。但目前在反蛋白石胶体晶体的研究和制备过程中，蛋白石胶体晶体模板的间隙往往较小，不利于新的反蛋白石结构及性能的开发应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种非密堆反蛋白石光子晶体的制备方法，制备的非密堆反蛋白石光子晶体排列完整、间隙可调，且生产工艺简单、周期短、所需设备简单。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

非密堆反蛋白石光子晶体的制备方法，包括以下步骤：

第一步，以正硅酸乙酯为原料制备SiO₂纳米或亚微米球；

第二步，制备聚苯乙烯球体颗粒；

第三步，将粒径比为D_SiO2∶D_聚苯乙烯＝1∶5～8的两种球体颗粒按质量比为m_SiO2∶m_聚苯乙烯＝1∶2～3分别进行称取，然后分别将两种球体颗粒超声分散于有机溶剂中，超声时间为2～3h，将两悬浮液混合后继续超声2～3h，得到混合悬浮液，其颗粒的质量分数为1％～2％，其中：D_SiO2表示SiO₂的直径，D_聚苯乙烯表示聚苯乙烯的直径，m_SiO2表示SiO₂的质量，m_聚苯乙烯表示聚苯乙烯的质量；

第四步，将基底垂直浸入已放置平稳的混合悬浮液中，在40～50℃下真空干燥，待溶液完全蒸发后，在基底表面生长出一层双尺寸光子晶体；

第五步，将双尺寸光子晶体在400～500℃下煅烧4～6h，即得非密堆反蛋白石光子晶体。

其中

所述第一步制备SiO₂纳米或亚微米球按照以下步骤实现：

首先，将正硅酸乙酯溶于a体积份的无水乙醇配置成溶液A；

其次，将正硅酸乙酯体积1～5倍的质量浓度为25％～28％的氨水溶于b体积份的无水乙醇配置成溶液B，a∶b＝1∶1～2；

然后，将溶液A置于磁力搅拌设备中，在不停搅拌下将溶液B加入溶液A中，混合液中正硅酸乙酯的浓度为0.4～0.6mol/L，反应22h后，分离沉淀，离心洗涤后于50～60℃干燥，得到SiO₂纳米或亚微米球。

所述第二步中制备聚苯乙烯球体颗粒按照以下步骤实现：

首先，在圆底烧瓶中加入去离子水，通氮气后，将加入苯乙烯，控制苯乙烯的浓度为1～5mol/L，继续通氮气并保持温度为70～80℃；

然后，加入浓度为0.003～0.01mol/L的过硫酸钾水溶液，过硫酸钾的质量为苯乙烯质量的1～2％，聚合反应10～15h，所得悬浮液用无水乙醇洗涤，之后真空冷冻干燥3h即获得聚苯乙烯球体颗粒。

所述第三步中有机溶剂为乙醇、甲醇、丙酮、乙腈或者异丙醇。

所述第四步中基底为载玻片、ITO玻璃或者硅片以及其它能承受煅烧温度的基底材料。

所述第四步中基底在浸入混合悬浮液之前，先依次用质量浓度为1％～2％的氢氟酸，体积比为7∶3的浓硫酸-双氧水混合溶液，以及质量浓度为1％～2％的氢氧化钠溶液各超声清洗15min，用去离子水冲洗后在红外灯下烘干备用。

所述的的SiO₂球体，可以用TiO₂、ZrO₂、A1₂O₃、Fe₂O₃、CdS、Nb₂O₅、WO₃等折射率较高的物质代替，以拓宽反蛋白石结构的应用范围。

与现有技术相比，本发明的优点是：