[发明专利]一种具有反蛋白石结构的光子晶体的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于反蛋白石结构光子晶体技术领域，特别是提供了一种具有反蛋白石结构的光子晶体的制备方法，能够制备大面积、无缺陷的反蛋白石结构的光子晶体。

背景技术

光子晶体是由不同介电常数的介质材料在空间呈周期排列的结构。类似于电子在半导体晶体中的行为，当光子在光子晶体中传播时，与介质周期排布同量级的电磁波受到周期性排列的非均匀介质相对较强的散射，使得该波长范围内的电子波禁止在光子晶体传播而产生光子带隙。此外，光子晶体还具有抑制自发辐射、光子局限等特性。相对电子而言，光子在传播速度、信息容量、抗干扰、效率、响应能力、能量损耗、互连和并行能力等方面的性能都远远的超过了电子。光子晶体的出现使信息处理技术的“全光子化”和光子技术的微型化与集成化成为可能，它可能在不久的将来导致信息技术的又一次革命。

根据电介质在空间中周期分布的维度，光子晶体可分为一维、二维和三维光子晶体。一维、二维光子晶体的加工工艺较为简单，相关的光子学器件已被相继研制出来，如超高品质因子的光子晶体谐振腔、高效多通道光子晶体滤波器、超高分辨率短波长光子晶体激光器等等。而三维光子晶体制备相对困难，尤其在可见光区范围内，要求的周期晶格常数非常小（100-600nm），基于平面的微纳加工技术，难以制备如此精细的三维结构，因此大大阻碍了光子晶体的发展和应用。

胶体自组装法是一种适用于光学到近红外波段三维光子晶体制备的方法。它通常利用重力、离心力、表面张力、压力、电场力、磁场力等外力的诱导或强制作用，使单分散微球定向移动，加上微球之间表面的相互作用（静电力或范德华力），从而使微球自组装成周期性结构。胶体自组装过程一般易于形成稳定的面心立方结构，通常称之为蛋白石结构；利用化学气相沉积、电化学沉积或溶胶-凝胶法等在蛋白石结构的空隙中填充不同介电常数的材料，然后去掉蛋白石模板，得到的周期性结构称之为反蛋白石结构。

传统的制备反蛋白石结构的方法一般分为三个步骤:首先利用聚合物微球制备蛋白石结构模板，然后把模板浸入相应的前躯体（SiO₂，TiO₂等）中的溶液或胶体中，最后除去模板得到反蛋白石结构。这一方法以下不足之处：一是由于蛋白石的空隙较小，欲填充的胶体很难完全填充空隙，造成某些缺陷；二是在浸入的过程中，蛋白石结构容易脱落破坏。尽管利用逐层气相沉积法（如原子层沉积），能够获得高质量、无缺陷的反蛋白石结构光子晶体，但是这一过程，需要消耗大量人力、物力和财力，同时也需要高质量的蛋白石模板。因此，要想使反蛋白石结构获得更广泛的应用，需要开发一种能够便利的制备大面积，无缺陷、高质量的反蛋白石结构的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有反蛋白石结构的光子晶体的制备方法，利用二元协同效应，首先制备聚合物胶体微球与SiO₂溶胶的二元稳定体系，以该体系为原料，一步组装胶体微球与凝胶的周期性复合结构，然后除去胶体球模板，可得到高质量、大面积、无缺陷的反蛋白石结构的光子晶体。该方法简单、快捷、重复性好。本发明能够制备高质量、大面积、无缺陷反蛋白石结构。具体工艺步骤如下：

（1）首先把一定浓度、一定粒径的聚合物微球（如聚苯乙烯微球）按一定的比例加入到一定浓度的溶胶中，然后利用超声波分散5-60分钟，使之形成均匀稳定的悬乳液。

（2）把上述所制备的悬乳液转移到大小合适的玻璃容器中，并把一块洁净的、大小合适的基底（如玻璃、单晶硅、石英等）竖直放置到装有上述悬乳液的玻璃容器中；然后，把玻璃容器倾斜放置到加热台上，加热，使溶剂慢慢挥发；利用二元协同效应，让聚合物微球与溶胶以自组织的方式在基底上生长，形成聚合物微球与凝胶的周期性复合结构。

（3）生长完毕后，取出样品，在空气中和合适的温度条件下加热一定的时间，使聚合物分解挥发；冷却，取出样品，即得到质量完美，结晶度好，无缺陷、大面积的反蛋白石结构的光子晶体。

在上述制备方法中，步骤（1）所述的聚合物微球可为聚苯乙烯微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球等；所述的聚合物微球的粒径范围为：0.05-4um之间，体积分布CV<3%；所述的悬乳液，聚合物微球的浓度为0.01-1%(w/w：重量百分比，溶剂为水)，溶胶的浓度为0.005-0.5%（w/w：重量百分比，溶剂为水），两者的浓度之比为2:1（w/w：重量百分比，溶剂为水）。