[发明专利]一种光子晶体的制备方法以及由该方法制备的光子晶体

说明书

本发明公开了一种光子晶体的制备方法，包括提供含有单分散颗粒、表面活性剂和溶剂的乳液；将乳液施用于基底需要形成光子晶体的表面，以形成液体图案，乳液对基底需要形成光子晶体的表面的接触角为30‑120°；将具有液体图案的基底干燥，得到光子晶体，干燥的温度和干燥的时间使得Pe满足2＜Pe＜10或者满足0＜Pe＜0.4，Pe＝(3h²ηr/t_f²k_BTt)^1/2。该方法成本低且制备效率高，制备的光子晶体图案膜的反射光谱中，半峰宽更窄，能达到30‑60nm，获得的光子晶体图案膜的表面更为平整，组装质量更高，因而颜色更为鲜明；同时能获得更薄的光子晶体图案膜。该方法适用性强，适用于多种基底和多种制备工艺。

技术领域

本发明涉及光子晶体制备技术领域。

背景技术

光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体，它是材料学、光学原理与集成技术以及微/纳米光电子技术相结合的一类新兴材料，是下一代光电器件和光子集成电路的发展趋势。由于光子晶体对光子具有类似于半导体对电子的调控作用，因此也被称为“光半导体”，在光子计算机，激光谐振腔、光波导通讯、结构色显示、光催化反应器、太阳能电池、燃料电池、化学和生物传感等领域具有广泛的应用前景。

人们通过自然界中存在的少量具有结构色彩的物质中发现了光子晶体的结构。光子晶体在科学应用中，不仅要求具有光学尺度的周期性介电结构，以获得类似电子禁带的光子带隙，而且要求其介电常数与周围介质的介电常数的对比足够大，材料对辐射的吸收应尽量低。

目前，光子晶体的制备方法很多，主要有两种途径。一类是自上而下(Top-down)的方法，主要依靠刻蚀等机械加工的方法实现，尽管精度高，但是效率低，而且成本高。另一类是自下而上(Bottom-up)的方法，也就是以胶体粒子为基本结构单元或组装模块，通过物理化学方法自组装或可控组装，形成有序的结构排列。自下而上的方法与机械加工的方法相比，具有效率高且成本低等优势。但是，相对于实际应用，自下而上的方法的制备效率仍然偏低，所形成的光子晶体一般缺陷也较多，能够形成的结构也较为有限，并且所形成的光子晶体也很难在保证光子晶体质量的条件下实现多种多样的图案。

因此，如何实现以更低的成本，更高效地制备具有较高质量的光子晶体仍然是一个亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的光子晶体制备方法存在的不足，提供一种光子晶体图案的制备方法，与自上而下的制备方法相比，该方法能以较低的成本和更高的效率，制备具有较高质量的光子晶体图案。

根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种光子晶体的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)提供一种乳液，所述乳液含有至少一种单分散颗粒、至少一种表面活性剂和至少一种溶剂；

(2)将所述乳液施用于基底需要形成光子晶体的表面，以在该表面形成液体图案，所述乳液对基底需要形成光子晶体的表面的接触角为30°至120°，优选为40°至60°；以及

(3)将具有所述液体图案的基底进行干燥，以脱除所述液体图案中的溶剂，得到光子晶体，其中，所述干燥的温度为T，脱除所述液体图案中的溶剂所需的干燥时间为t_f，T和t_f使得Pe满足以下关系式I和关系式II中的一者：

关系式I：2＜Pe＜10，

关系式II：0＜Pe＜0.4，

其中，

h为液体图案的厚度，以m计，

η为所述乳液中的溶剂在温度T下的动力粘度，以Pa·s计，

r为所述乳液中的单分散颗粒的水力半径，以m计，