專利名稱：外加電場控制膠體粒子自組裝及三維光子晶體的制備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種材料的制備，尤其是通過施加直流外電場來控制膠體粒子自組裝及制備三維光子晶體的方法，即對二氧化硅等徑微球通過施加直流外電場進行自組裝，制備出二氧化硅的三維光子晶體。
背景技術：
對三維周期性排列長程有序光子晶體的研究，不僅具有重要的科學研究價值，而且也具有重要的實用價值。三維周期性排列長程有序光子晶體不僅在現階段的微電子和光電子領域中具有廣闊的應用前景，而且在將來的光子領域中同樣具有極其廣闊的應用前景。比如說，光通訊、光開關、光波導等方面具有極其廣闊的實際應用價值。
對三維周期性排列長程有序結構模板的制備，現有技術通常采用將懸浮液靜置沉降的方法，該方法實質上是利用了重力場的作用，將懸浮液中的微球通過自身重力的作用，沉積在物體表面。(參見“3 D long-range ordering in an SiO2submicrometer-sphere sintered superstructure”，R.Mayoral et al.，Advanced Materials，1997，9，No.3，257；“Concentration-dependent sedimentation of dilute magneticfluids and magnetic silica dispersions”，L. N. Donselaar et al.，Langmuir，1997，13，6018；“Evidence of FCC crystallization of SiO2nanospheres”，H. Miguez et al.，Langmuir，1997，13，6009)然而該方法具有很大的局限性，當懸浮液中微球布朗運動的作用力與微球本身的重力相等時，用該方法就不能制備出三維周期性排列長程有序結構的模板，并且對于粒徑較小的微球，用該方法制備需很長的沉積時間，效率低，且不一定能制備出高質量的三維周期性排列長程有序結構的模板。

發(fā)明內容
本發(fā)明是通過施加直流外電場的方法對于帶有某種特定電荷的微球，在電場力的作用下制備出三維周期性排列長程有序結構的模板，且對粒徑很小的微球，也可用該方法制備。這是因為若微球粒徑較小，當本身的作用力與懸浮液中布朗運動的作用力相等時，可通過提高所施加直流外電場的電壓或縮短兩電極之間的距離，從而提高電場強度，使作用在微球上的電場力大于微球布朗運動的作用力，從而有可能使粒徑小的微球在電場力的作用下定向沉積，形成質量較好的三維周期性排列長程有序結構的模板。
本發(fā)明的目的是利用所加直流外電場的作用，使帶有負電荷的二氧化硅微球在所加外電場的作用下，在平板導電玻璃等平板上能自組裝成三維周期性排列有序的結構。并只需要較短的沉積時間，具有較高的效率，保證制備出高質量的三維周期性排列長程有序結構的模板。
本發(fā)明的目的是這樣實現的本發(fā)明采用一種簡便可行的方法，首先對制備的二氧化硅等徑微球懸浮液調節(jié)pH值4-12，然后通過在微球懸浮液中施加直流外電場，電場強度為50-500V/cm，使帶某種特定電荷的微球在外電場的作用下，在平板導電玻璃等平板上定向沉積，從而形成三維周期性排列長程有序結構的模板。
對制備的二氧化硅等徑微球懸浮液調節(jié)pH值為8-10范圍，使懸浮液中微球的ζ-電位達到較小乃至最小值，再進行外加電壓沉積。
本發(fā)明的特點是從對懸浮液中的二氧化硅微球施加直流外電場的效果來看，可以制備出長程排列有序的三維周期性模板。本發(fā)明方法的沉積時間短，效率高，制備的三維周期性排列長程有序結構的模板質量高。
四以下結合附圖并通過實施例對本發(fā)明作進一步說明；

圖1為本發(fā)明方法的裝置結構示意圖，即通過施加直流外電場的裝置示意圖。
圖2為二氧化硅微球ζ-電位和pH值的關系圖，縱座標為ζ-電位，橫座標為pH值。
圖3為三維周期性排列長程有序結構模板表面的SEM照片(100V/cm的電場強度)圖4為三維周期性排列長程有序結構模板截面的SEM照片(100V/cm的電場強度)圖5為在500V/cm的電場強度條件下的板表面的SEM照片五、
具體實施例方式
方法的實施例圖見圖1。照片上有尺寸標記。
電場強度50-500V/cm，上電極1接負，下電極2接正，這根據懸浮液中微球的ζ-電位的正負來確定接法。若懸浮液中微球3ζ-電位為負，則上電極接負，下電極接正；若懸浮液中微球的ζ-電位為正，則上電極接正，下電極接負。上電極與下電極之間的距離為d。
襯底材料ITO(Indium Tin Oxide)導電玻璃4或金屬平板。
二氧化硅等徑微球懸浮液調節(jié)方法將正硅酸乙酯(tetraethylorthosilicate，TEOS)逐步加入到含氨水的乙醇溶液中，在恒定的溫度下(試驗所用的溫度范圍為40-65℃)，電磁攪拌24小時，獲得等徑二氧化硅微球。通過控制TEOS和氨水的濃度來調節(jié)等徑二氧化硅微球的尺寸。通過氨水滴加的量來調節(jié)pH值。(用濕化學法制備，直徑為530nm左右)。懸浮液中的微球等徑二氧化硅微球。
根據圖1所示的裝置，在施加直流外電場的條件下，可制備出三維周期性長程有序排列的模板。
在制備三維周期性排列長程有序結構模板的過程中，首先研究了不同pH值對懸浮液中二氧化硅微球ζ-電位的影響(見圖2)。在pH值＝8-9.0的條件下，發(fā)現在pH值為9.0時，懸浮液中二氧化硅微球ζ-電位有最小值。將此pH值作為加直流外電場的最佳pH值。
然后，在pH值＝8-9.0的條件下，對二氧化硅微球懸浮液施加直流電場，上下電極間距離為1cm，外加電壓100V，待二氧化硅懸浮液中溶劑揮發(fā)后，可制備出薄膜狀試樣，對該試樣進行掃描電子顯微鏡觀察(Scanned ElectronicMicroscopy，SEM)，其中試樣表面的SEM照片見圖3。從圖3可看出，二氧化硅微球排列成長程有序結構。為了證明所得試樣在三維方向是有序排列的，對試樣的截面也進行了SEM觀察，見圖4。從圖4可看出，同樣，二氧化硅也排列成有序結構。從而證明制備出了三維周期性排列長程有序結構模板。
電場強度500V/cm的實施例見圖5，在0.5V/cm、5V/cm和1000V/cm的效果較差，不能保持一個良好的三維周期性排列長程有序結構的模板。下電極接其它金屬板，如銅、鋁板等。下電極接導電玻璃的目的是為了便于以后的測試性能。
權利要求
1.外加電場控制膠體粒子自組裝及三維光子晶體的制備方法其特征是首先對制備的二氧化硅等徑微球懸浮液調節(jié)pH值4-12，然后通過在微球懸浮液中施加直流外電場，電場強度為50-500V/cm，使帶某種特定電荷的微球在外電場的作用下，在平板導電玻璃等平板上定向沉積，從而形成三維周期性排列長程有序結構的模板。
2.由權利要求1所述的外加電場控制膠體粒子自組裝及三維光子晶體的制備方法通過控制TEOS和氨水的濃度來調節(jié)等徑二氧化硅微球的尺寸。
3.由權利要求1所述的外加電場控制膠體粒子自組裝及三維光子晶體的制備方法在pH值8-9.0的條件下，對二氧化硅微球懸浮液施加直流電場。
全文摘要
外加電場控制膠體粒子自組裝及三維光子晶體的制備方法:首先對制備的二氧化硅等徑微球懸浮液調節(jié)pH值4－12,然后通過在微球懸浮液中施加直流外電場,電場強度為50－500V/cm,使帶某種特定電荷的微球在外電場的作用下,在平板導電玻璃等平板上定向沉積,從而形成三維周期性排列長程有序結構的模板。本發(fā)明可以制備出長程排列有序的三維周期性模板。沉積時間短,效率高,制備的三維周期性排列長程有序結構的模板質量高。
文檔編號C23C20/08GK1358882SQ01137309
公開日2002年7月17日 申請日期2001年11月27日 優(yōu)先權日2001年11月27日
發(fā)明者唐月鋒, 李愛東, 吳迪, 陳延峰, 閔乃本 申請人:南京大學