反蛋白石结构光子晶体材料制备及性能研究
发布时间：2019-09-03 06:56
【摘要】：当电磁波在周期性电介质结构材料中传播时,由于受到调制而形成能带结构—光子能带结构,其带隙称为光子带隙。此具有光子带隙的周期性电介质结构就是光子晶体。光子晶体带隙宽度主要取决于维度、对称性、介质填充率、介电常数比等参数。构成光子晶体材料的介电常数对比度越高,出现宽带隙和完全带隙的可能性越大。因此可以通过提高介电常数比来实现宽带隙和全带隙的光子晶体。光子晶体结构材料在光波导、低阈值激光器、三维有序大孔材料、光催化、气体传感器等方面有着巨大的应用前景。本文利用垂直自组装法,研究制备了不同粒径聚苯乙烯微球蛋白石,实验表明,蛋白石薄膜在自然光下分别呈现不同的色彩。通过对蛋白石薄膜表征表明,PS微球蛋白石在宏观上呈现长程有序结构,但是在各蛋白石畴区间存在着一定程度的裂纹,且沿着生长方向的裂纹是较为连贯的,而垂直于蛋白石方向的裂纹则显得无规律可循；在微观上,蛋白石中PS微球主要以六方密堆积方式进行排列；从断面上观察,PS微球呈面心立方结构排列,且沿着蛋白石生长方向,PS微球的层数越来越多。通过对PS微球蛋白石薄膜进行透射光谱和反射光谱表征,结果表明,测量得到的光子带隙波长与用Bragg公式计算得到的带隙波长值高度吻合。通过对PS微球溶液浓度变化研究表明,当PS微球溶液浓度太大时,蛋白石薄膜容易脱落；但是,当PS微球粒径变大,PS微球溶液的浓度适当变大不会导致蛋白石薄膜脱落。通过在同一块基片上研究蛋白石薄膜组装次数,结果表明随着组装次数的增加,蛋白石薄膜的质量逐渐下降。利用离心沉降法将不同粒径的PS微球制备成块状蛋白石,在自然光下,块状蛋白石会呈现不同的色彩；在微观上,绝大部分PS微球呈六方密堆积结构排列；反射光谱测量表明,块状蛋白石光子带隙波长测量值与理论值高度一致。以220nm、340nm、390nm、435nmPS微球蛋白石为模板,通过三步法制备了反蛋白石SnO2。在卤钨灯下,不同模板制备的反蛋白石Sn02分别呈现不同的色彩；相对于蛋白石细小的裂纹,反蛋白石SnO：裂纹明显变大：宏观上,反蛋白石SnO2呈现长程有序结构；微观上,反蛋白石SnO：由许多规则整齐的大孔和小孔组成。进一步表征表明,在烧结过程中,蛋白石的结构并未被破坏,而是被空气球所替代,而PS微球间的空隙则被SnO2骨架所弥补。电子衍射表征表明,反蛋白石Sn02晶型呈四方相金红石结构。XRD测量表明,反蛋白石SnO2晶型与JCPDS标准卡41-1445一致,呈四方相金红石结构。通过对PS微球蛋白石、反蛋白石SnO2反射光谱表征表明,蛋白石的光子带隙波长测量值与理论值高度一致。但是,对于反蛋白石而言,其理论光子带隙波长无法计算,只能测量。通过测量反蛋白石Sn02带隙波长及其空气球的孔径,利用Bragg公式,可以计算出SnO2的填充率。通过对不同粒径的PS微球蛋白石渗透SnO2前驱体次数研究表明,随着PS微球粒径增大,若得到结构较为完好的反蛋白石结构,渗透次数需要加大,或者溶胶浓度需提高。本文通过两步法尝试制备了反蛋白石Sn02,总体而言,利用两步法只能在局部得到较为完整的反蛋白石结构。本文以340nm、390nm、435nmPS微球蛋白石为模板,通过三步法制备了反蛋白石CeO2、TiO2。在卤钨灯下,不同模板制备的反蛋白石CeO2、TiO2分别呈现不同的色彩。通过对反蛋白石CeO2、TiO2进一步表征表明,其结构、光学性能与反蛋白石SnO2非常一致。XRD表征表明,反蛋白石CeO2晶型与JCPDS标准卡34-0394一致,皆为MO8立方萤石结构；反蛋白石TiO2晶型与JCPDS标准卡89-4921一致,为锐钛矿型。通过对反蛋白石SnO2、CeO2、TiO2的填充率计算发现,PS微球粒径越大,反蛋白石结构中SnO2、 CeO2、TiO2相对填充量越少。利用280nmPS微球蛋白石块为模板,制备了反蛋白石SnO2气敏材料,利用WS-30A气敏测试系统测量其对甲醇气体的气敏性能。通过对其氮吸附脱附研究表明,相较于参照样,利用蛋白石模板制备的反蛋白石结构材料比表面积最大。通过研究加热温度对气体传感器的气敏性能影响发现,当工作温度升高时,SnO2气体传感器的灵敏度增加,当达到312℃时,灵敏度最大；继续升高工作温度,灵敏度都呈下降趋势。当工作温度为312℃时,相较于参照样,反蛋白石Sn02对500ppm甲醇的灵敏度最大,达到95；通过对传感器气敏响应-恢复时间研究发现,相较于参照样,反蛋白石SnO2的响应-恢复时间最短。利用气体传感器在最佳工作温度312℃下,对500ppm不同的有机化合物气体如甲醇、乙醇、甲醛、异丙醇、丙酮、苯、甲苯、二甲基甲酰胺等进行了选择性测试,结果表明,反蛋白石Sn02气体传感器对甲醇气体具有良好的选择性。利用反蛋白石SnO2气体传感器在最佳工作温度312℃下,对不同浓度的甲醇气体进行周期性循环测试,结果表明,甲醇浓度在1-2000 ppm范围内,反蛋白石Sn02气体传感器的电阻与甲醇气体浓度变化展现了良好的线性关系。本文通过对蛋白石、反蛋白石光子晶体制备、表征,特别是光学性能研究,为光致发光材料的制备以及光照气敏性能的开展打下了一定的基础。
【图文】：
如果光子晶体在几何构形上仅具有一维周期性，，那么它将形成一维光子晶体，光子带逡逑隙将出现在这个方向上。如果它在二维或兰维均具有周期性，那么它将形成二维或Ｓ维光逡逑子晶体，图１－１给出了由折射率不同的两种物质所构成的一维、二维和Ｈ维光子晶体的结逡逑构示意图。逡逑２－Ｄ逦３－Ｄ逡逑ｍｍｍ逡逑图１－１光子晶体空间洁构示意图［３］逡逑光子晶体的周期性结构特点决定了它的能带结巧，设计具有完全带隙的光子晶体，必逡逑须要选择较高的折射率比、适当的晶格结构和拓扑结构。逡逑一般可通过如下特征参数来设计光子晶体的带隙结构。逡逑维数：光子晶体的维数是指具有折射率周期性的维数，如图１－１所示。逡逑晶格结构：|!立方、体也立方（ＢＣＣ）、ＦＣＣ、六角密堆（ＨＣＰ）、金R[石结构等。逡逑巧扑结构：对称性确定的晶格存在多种对光子带隙结构影响很大的巧化结构，图１－２为逡逑面也对称结构存在的多种拓扑结构。逡逑／i义贤迹保裁妗┒猿平峁勾嬖诘亩嘀滞卦峁梗唬ǎ幔┛掌蟹掷氲慕橹是颍诲义希ǎ猓┛掌辛ǖ慕橹是颍海ǎ茫┙橹手蟹掷氲目掌媲颍唬ǎ洌┙橹手辛龅目掌颍郏常蒎义暇Ц癯Ｊ壕Ц癯Ｊ敲枋錾⑸湓渚嗬氲牟问杂诹⒎骄Ц瘢Ц癯ＪＨ″义辖峋г⒎教宓谋叱ぁｅ义嫌行д凵渎剩憾杂谟闪街纸橹使钩傻墓庾泳澹行д凵渎识ㄒ澹郏罚菸哄义
本文编号：2531187
【图文】：
如果光子晶体在几何构形上仅具有一维周期性，，那么它将形成一维光子晶体，光子带逡逑隙将出现在这个方向上。如果它在二维或兰维均具有周期性，那么它将形成二维或Ｓ维光逡逑子晶体，图１－１给出了由折射率不同的两种物质所构成的一维、二维和Ｈ维光子晶体的结逡逑构示意图。逡逑２－Ｄ逦３－Ｄ逡逑ｍｍｍ逡逑图１－１光子晶体空间洁构示意图［３］逡逑光子晶体的周期性结构特点决定了它的能带结巧，设计具有完全带隙的光子晶体，必逡逑须要选择较高的折射率比、适当的晶格结构和拓扑结构。逡逑一般可通过如下特征参数来设计光子晶体的带隙结构。逡逑维数：光子晶体的维数是指具有折射率周期性的维数，如图１－１所示。逡逑晶格结构：|!立方、体也立方（ＢＣＣ）、ＦＣＣ、六角密堆（ＨＣＰ）、金R[石结构等。逡逑巧扑结构：对称性确定的晶格存在多种对光子带隙结构影响很大的巧化结构，图１－２为逡逑面也对称结构存在的多种拓扑结构。逡逑／i义贤迹保裁妗┒猿平峁勾嬖诘亩嘀滞卦峁梗唬ǎ幔┛掌蟹掷氲慕橹是颍诲义希ǎ猓┛掌辛ǖ慕橹是颍海ǎ茫┙橹手蟹掷氲目掌媲颍唬ǎ洌┙橹手辛龅目掌颍郏常蒎义暇Ц癯Ｊ壕Ц癯Ｊ敲枋錾⑸湓渚嗬氲牟问杂诹⒎骄Ц瘢Ц癯ＪＨ″义辖峋г⒎教宓谋叱ぁｅ义嫌行д凵渎剩憾杂谟闪街纸橹使钩傻墓庾泳澹行д凵渎识ㄒ澹郏罚菸哄义
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