论文部分内容阅读
光子晶体是一种介电常数(折射率)呈现周期性变化的材料,具有光子带隙,频率落在光子带隙的光不能在光子晶体中传播。光子带隙和光子局域这两大显著的特点使其在发光二极管、多功能传感器、隐身材料和光子晶体激光器等高新技术领域具有广泛应用。目前,可见光和近红外波段光子晶体的制备是光子晶体的一个难点。在众多制备光子晶体的方法中自组装法是一种很简单有效的方法。
本文在前人研究的基础上,以单分散SiO2微球作为制备光子晶体的基元材料,分别用氯化钠和氯化钾对SiO2微球进行改性,提高微球表面的电荷密度以及在无水乙醇中分散性;然后,利用垂直沉降法在无水乙醇中组装得到SiO2光子晶体;并且采用分次添加正硅酸乙酯的方法制备了具有双尺寸分布的SiO2微球。实验分为四步:第一,单分散SiO2微球的制备;第二,改性SiO2微球的制备;第三,光子晶体的垂直沉降法制备。第四,双尺寸分布SiO2微球的制备。
第一,采用St(o)ber法,以无水乙醇和水为反应介质,氨水为催化剂,通过正硅酸乙酯(TEOS)的水解和缩聚反应制备单分散SiO2微球。场发射扫描电镜(FESEM)测试结果显示微球的粒径在80nm-425nm之间,X射线衍射仪(XRD)测试结果显示制备的SiO2微球为无定形态。研究了氨水和TEOS的用量对SiO2微球粒径大小的影响。结果显示微球的粒径随着氨水和TEOS用量的增加而增大。
第二,在制备SiO2微球的基础上,分别向反应体系中添加一定量氯化钠和氯化钾对SiO2微球进行改性,能量色散谱仪(DES)能谱分析结果表明只有钠离子和钾离子出现在微球中,而氯离子并没有参加反应;Zeta电位测试结果表明改性后微球在无水乙醇中的电位比未改性前有明显提高,分别提高了8.82mv和8.95mv;FESEM和粒度测试结果表明改性后微球的粒径分别增加了42nm和66nm。
第三,采用垂直沉降法在无水乙醇中组装SiO2光子晶体。利用FESEM观察分析SiO2光子晶体的形貌和结构,结果表明经氯化钠和氯化钾改性后微球组装的光子晶体具有更好的有序性,表面的缺陷很少;利用紫外-可见-近红外吸收光谱仪(UV/Vis/NIR)研究SiO2光子晶体的光子带隙性能,结果表明:改性后光子带隙比较窄;计算得知改性后光子晶体的带隙位置与理论值能很好的吻合,并且确定所得到的SiO2光子晶体为面心立方(FCC)结构。
第四,St(o)ber法制备单分散SiO2微球的基础上,通过改变工艺过程,采用分次添加正硅酸乙酯的方法在同一反应体系中制备了粒径具有双尺寸分布的SiO2微球,探讨了其形成机理。并且对其进行自组装,但是结果不是很理想。