[发明专利]一种磁场导向下形貌各向异性的椭球状介孔二氧化硅光子晶体有序薄膜的组装方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁场导向下形貌各向异性的椭球状光子晶体有序薄膜的组装方法。更具体的说是涉及一种磁性椭球状介孔二氧化硅微纳米粒子，在磁场作用下，有序排列成具有一定方向性的光子晶体的组装方法。

背景技术

光子晶体是具有不同介电常数的介质材料在一维、二维或是三维方向上呈周期性有序排列，从而对特定波长的光的传播起到选择性阻碍和调节作用的材料。和半导体一样，光子晶体也具有光子能带和光子带隙结构，即当频率位于光子带隙范围内时，光将不能在光子晶体中传播。因此光子晶体被称为光信息时代的“半导体”。因其独特的光学性能，光子晶体在高性能反射镜、滤波器、选频器、光纤、传感器、微波天线等方面有着广泛的应用前景

光子晶体的制备方法很多，自组装法被认为是制备近红外、光学以及更短波段三维光子晶体的最有效的方法。光子晶体自组装方法主要有重力自然沉降法、基片提拉法自组装等。其中重力自然沉降法是通过控制无机胶体颗粒的尺寸、沉降速度等几个重要的参数，得到一定厚度的光子晶体，其工艺及设备简单，但是沉降时间长（一般要十几天或几个月）、不能很好的控制沉降厚度、得到的晶体缺陷较多并且不能得到大面积的有序结构。基片提拉法是利用计算机控制基片的提升速度，从而得到结构有序的三维光子晶体，制备时间短，但是在提升过程中容易引起附加的振动，导致晶体产生位错等缺陷。因此，为了在较短的沉降时间内得到大面积的结构有序的光子晶体，近年来科学研究者利用外加磁场进行光子晶体的组装。

         传统上光子晶体的组装一般采用球形微纳米粒子组装成高度有序的周期性结构。有序排列的球形微纳米粒子在纳米化学、纳米光学、纳米科技等领域有非常重要的作用。而具有形貌各向异性的非球状微纳米粒子，因其各向异性的结构和相应的性质，在光子晶体的组装领域，正在逐渐代替球形微纳米粒子，成为组装排列的主体。

在非球形微纳米粒子中，椭球状微纳米粒子因其布朗运动、晶体结构等胶体行为能够随着椭球状粒子的轴比发生相应的改变，得到了科学工作者的广泛关注，成为非球状微纳米粒子光子晶体组装的重要材料。最近宋恺课题组（Ding, T., et al., Fabrication of 3D Photonic Crystals of Ellipsoids: Convective Self-Assembly in Magnetic Field. Advanced Materials, 2009. 21(19): p. 1936-1940.）通过椭球状γ-Fe2O3SiO2核壳结构在磁场导向下组装，也证实了形貌各向异性的椭球状光子晶体薄膜具有光子禁带性质及方向可调性。本发明的组装方法与该文献公开内容的不同之处在于我们采用椭球状的磁性介孔二氧化硅微纳米粒子（椭球体的长轴和短轴之间的轴比为 1.0-5.0之间可调）为构筑基元，这种介孔构筑基元由于具有多孔的性质而有可能进一步填充其他高折射率材料，从而得到具有完全带隙的光子晶体薄膜。同时，已有文献的组装方法由于采用单块磁铁进行组装，而存在有序组装面积小，重复性低等技术问题。这是因为单块磁铁的磁场不均匀，导致组装面积太小、有序性差等问题。而该问题正是本发明要解决的技术问题。

本发明人在发表的文章(shaodian shen etal. Chem. Mater. 2012,24,230)中简单介绍椭球的组装方法，即用单块磁感应强度为0.3特斯拉的磁铁，在分散液上方一定高度下、某个方向进行放置组装，来导向组装椭球状复合纳米粒子，文献实验中采用单块磁铁，因而组装过程中磁场不均匀，导致组装面积太小，仅为0.001-0.1 cm2，且有序性差。

本发明的组装方法与上述文献中公开内容的不同之处在于本发明利用两块相同磁铁组成的平行磁场，通过调节磁场强度来增加有序组装的面积，由于使用两块磁铁组成的平行磁场，在平行磁场中磁力线是均匀的，从而有效地解决了单块磁铁因磁场不均匀而导致的有序组装面积小、有序性差等技术问题，而该问题正是本发明要解决的技术问题。

综上所述，目前迫切需要一种组装面积大、工艺简单的各向异性椭球状光子晶体有序薄膜的制备方法。

发明内容

本发明的目的之一是为了解决上述的有序组装面积小、重复性低、有序性差等技术问题而提供一种磁场导向下形貌各向异性的椭球状介孔二氧化硅光子晶体有序薄膜的组装方法，该方法具有生产成本低，组装工艺简单，所得的椭球状光子晶体薄膜具有有序组装面积大、有序性好等优点。

本发明的技术原理