基于溶剂萃取法的光子晶体薄膜的制备及研究

发布时间：2020-09-18 09:24

　　自从光子晶体材料问世以来,由于其独特的结构和性质,使得其在光化学、色彩显示、传感器等方面具有很广泛的应用。胶体自组装法是制备光子晶体的一个重要途径,由于其操作简单、经济适用等优点备受关注,常见的自组装方法有重力沉降、垂直沉积法、漂浮组装等,但制备均匀平整且厚度可控的光子晶体薄膜仍然是一个挑战。本文基于溶剂萃取法提出一种新的制备光子晶体薄膜的方法,与传统自组装方法利用蒸发去除溶剂不同,这里采用溶剂萃取将悬浮液的水分去除。为了得到均匀平整且厚度可控的光子晶体薄膜,设计了一个双基片装置作为辅助。本文的研究内容及结果如下:(1)以正辛醇为萃取剂用溶剂萃取法制备了PS光子晶体薄膜,考察实验条件对光子晶体生长速度的影响。实验结果显示:光子晶体生长速度随温度及悬浮液浓度升高而增大,其主要原因是溶剂的萃取速度随温度升高而增大;改变萃取剂时,萃取剂中正丁醇的占比越高光子晶体生长速度越快,因为正丁醇的萃取速度大于正辛醇。此外,通过调整双基片的间隙制备了不同厚度的光子晶体薄膜,从而实现对薄膜厚度的控制。(2)通过测量光子晶体和胶体悬浮液交界处的光谱,研究了光子晶体组装机理。结果显示:分散在水中的PS微球,在由萃取导致的溶剂对流的驱动下经历了无序、非密堆积胶体晶体、密堆积胶体晶体(光子晶体)三种状态。此外,向萃取剂添加指示剂罗丹明B,分别测量生长过程中光子晶体不同区域的光谱,结果显示:生长中的光子晶体没有测得罗丹明B的吸收峰,这意味着在生长过程中,PS悬浮液与正辛醇形成的油水界面始终处于基片的下端位置,并不随光子晶体的生长向上移动。(3)用溶剂萃取法成功制备了SiO_2光子晶体,实验发现其生长速度与温度成正比;此外还研究了退火对光子禁带的影响,结果显示退火后光子晶体带隙位置发生了蓝移。
【学位单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O734;TB383.2
【部分图文】：

光子晶体,结构示意图

第 1 章绪论第 1 章绪论子晶体概述光子晶体的基本概念blonovitch[1]和 John[2]于 1987 年首次提出光子晶体的概念。光子晶以上不同介电常数的材料于空间中按特定周期排列的人工结构的结构产生了能带结构，当光线入射时会有特定频率的光无法光子禁带，这也是光子晶体最重要的一个特征。由于光子晶体结构和光调制能力，在众多领域都得到了广泛的研究。

蛋白石,孔雀,羽毛,蝴蝶

图 1.2 (a)蛋白石;(b)蝴蝶翅膀;(c)孔雀羽毛Fig. 1.2 (a) Opal; (b) Wing of the butterfly; (c) Peacock feathers2 光子晶体的应用光子晶体独特的结构和性质使其具有广泛的应用前景。光子晶体材料所结构色可以用于显示，通过引入缺陷可用作波导，利用其光学特性可以用器方面，此外可以利用光子晶体结构增强光化学反应等等。.1 基于结构色的色彩显示光子晶体的结构色如蛋白石中观察到的美丽金属光泽，是使用普通光学不能实现的。如果将结构色用于显示设备，观察者在日光下就可以清晰的所展示的色彩，由于结构色可以直接使用环境光作为光源无需背光，因此幅度降低能耗。现在许多研究人员已经开发出基于胶体晶体的彩色颜料，便携式设备到户外招牌或大型广告牌的各种类型的显示设备。目前已经有[6]

光子晶体,显示装置,胶体,机制

图 1.3 基于胶体光子晶体结构的显示装置机制图[9]Fig. 1.3 Schematic summary of display devices based on colloidal-structured photonics1.2.2 光化学光子晶体的带隙结构可以增强光化学反应，在光子晶体的带边缘处光子态度提高，群速度变小，提高了光子晶体中的有效光程，使光与物质的相互作用放大。在光子晶体中产生光化学反应时，如果激发光波长与带边相对应，则光收和反应效率都将得到增强。Ozin 团队[11]的开创性工作证明了光子晶体结构的氧化钛可以增强光催化效率，在此之后有许多光子晶体在光催化领域的研究，中研究大多是将半导体材料以光子晶体结构修饰来提高光化学反应。此外，有究发现由半导体和光子晶体组成的双层复合结构可以提高光吸收效率Nishimura[12]等制备了反 Opal 结构的 TiO2光子晶体与 TiO2颗粒膜的双层复合结光阳极，光子晶体的结构增强了其对光的反射和散射能力，提高了染料敏化太能电池的光电转换效率[13]。

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