專(zhuān)利名稱(chēng)：自支撐單晶光子晶體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自支撐高質(zhì)量單晶光子晶體的制備方法，特別涉及自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體及自支撐高質(zhì)量單晶反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體的制備方法。
背景技術(shù)：
光子晶體自1987年問(wèn)世以來(lái)，由于其特殊的光調(diào)控性能，在光學(xué)、電子學(xué)、化學(xué)、 生物化學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。利用化學(xué)自組裝方法制備光子晶體具有成本低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，從而吸引了科研工作者的研究興趣。但是，在用化學(xué)自組裝方法制備光子晶體的過(guò)程中，乳膠粒會(huì)在最后干燥過(guò)程中收縮，而乳膠粒與基材之間的粘滯力又防止了其收縮，因此所產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力會(huì)造成所制備的光子晶體膜中存在嚴(yán)重的裂紋。這些不可避免的裂紋的產(chǎn)生限制了光子晶體在實(shí)際中的應(yīng)用。為了解決此問(wèn)題，科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)展了一定的前期工作，如通過(guò)采用模板輔助自組裝(C. J. Jin, N. P. Johnson, Nano Lett. 2005， 5，26464650)、在自組裝前將乳膠粒高溫預(yù)收縮(D. J. Norris, Appl. Phys. Lett. 2004， 84,3573-3575)及避免干燥(T. Sawada, Adv. Funct. Mater. 2005,25 ；Τ. Sawada, Langmuir 2009,13315)等方法用來(lái)防止乳膠粒收縮，以此來(lái)避免裂紋的產(chǎn)生；或通過(guò)采用在液體表面自組裝(Zentel R.，Chem. Mater. 2002，14，4023-402)及特殊物質(zhì)誘導(dǎo)的向低堆積密度
(B. Hatton, L. Mishchenko, S. Davis, K. H. Sandhage, J. Aizenberg, PNAS, 107, 23, 10355)的方法使乳膠粒各向同性收縮，由此避免了光子晶體在制備過(guò)程中導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的問(wèn)題。但是，上述制備過(guò)程中存在以下幾點(diǎn)不足1.所制備的產(chǎn)品只能在某些低堆積密度晶面上避免裂紋的產(chǎn)生，而其它高堆積密度晶面仍有裂紋；2.制備成本高，過(guò)程繁瑣；3.制備過(guò)程污染嚴(yán)重，有不安全隱患；4.制備方法只適用于某種膠體粒子，不具有普適性。為了進(jìn)一步推動(dòng)光子晶體的實(shí)際應(yīng)用，更低成本、更簡(jiǎn)便、安全、綠色的制備方法一直是科研工作者努力的方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種操作簡(jiǎn)便、成本低廉、綠色環(huán)保、普適性好的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體，及自支撐高質(zhì)量單晶反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體的制備方法。本發(fā)明通過(guò)將單分散微球重力沉積在對(duì)水具有低粘附力(F < 300 μ N)且對(duì)水接觸角CA ^ 90°的基材上，制備得到大面積、自支撐、高質(zhì)量單晶的光子晶體，具有良好的光學(xué)性能，本發(fā)明的方法操作簡(jiǎn)便、綠色環(huán)保、普適性好，對(duì)推動(dòng)光子晶體的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。本發(fā)明的自支撐高質(zhì)量單晶光子晶體的制備方法是將單分散微球與水混合形成乳液，在溫度為5 95°C，濕度為5% 95%的條件下，將所得到的乳液置于對(duì)水具有低粘附力(F) < 300 μ N，且對(duì)水的接觸角(CA) >90°的疏水性基材的表面，靠乳液中所述的單分散微球自身的重力進(jìn)行沉積，便可簡(jiǎn)便的在疏水性基材的表面上制備得到由所述的單分散微球自組裝形成的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。將上述制備得到的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體作為犧牲模板，在構(gòu)成所述的作為犧牲模板的單分散微球之間的間隙中填充功能性物質(zhì)后，再進(jìn)一步去除所述的犧牲模板，還可以制備得到自支撐高質(zhì)量單晶反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。所述的在作為犧牲模板的單分散微球之間的間隙中填充功能性物質(zhì)的方法選自滴涂、浸涂、電化學(xué)沉積、化學(xué)氣相沉積及提拉填充法中的一種。所述的去除犧牲模板所采用的方法選自煅燒、有機(jī)溶劑(如甲苯或四氫呋喃等) 溶解及氫氟酸溶解方法中的一種或幾種。所述的煅燒溫度優(yōu)選是160°C 600°C。所述的對(duì)水具有低粘附力(F) < 300 μ N，且對(duì)水的接觸角(CA)彡90°的疏水性基材是塑料(所述的塑料優(yōu)選的選自聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯等中的一種)；或者是用上述塑料覆蓋的基材(如用聚氨酯覆蓋的玻璃等)；或者是在全氟硅烷蒸氣中放置過(guò)的對(duì)水具有低粘附力(F < 300 μ N)的疏水性(CA彡90° )的基材(如在全氟硅烷蒸氣中放置過(guò)的ITO玻璃等)；或者是用有機(jī)油覆蓋的基材，所述的有機(jī)油是液體石蠟或硅油；如液體石蠟覆蓋的玻璃，硅油覆蓋的硅片等。所述的單分散微球是已知市售產(chǎn)品，其粒徑是80 IlOOnm ；所述的單分散微球在乳液中的濃度為0. 01 30wt%，其它為水。所述的單分散微球是單分散乳膠?；騿畏稚⒍趸栉⑶颉Ｋ龅膯畏稚⑷槟z粒選自單分散聚苯乙烯乳膠粒、單分散聚甲基丙烯酸甲酯乳膠粒、單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物乳膠粒中的一種。本發(fā)明的制備方法得到的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體的光子帶隙在200 ^OOnm之間；所述的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體選自聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)和二氧化硅蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體中的一種。所述的功能性物質(zhì)是無(wú)機(jī)氧化物的溶膠、制備固體單質(zhì)的前驅(qū)體、聚合物單體或聚合物中的一種。所述的無(wú)機(jī)氧化物的溶膠選自SiA溶膠、TiO2溶膠和ZnO溶膠等中的一種。所述的制備固體單質(zhì)的前驅(qū)體選自制備Si的前驅(qū)體乙硅烷、制備C的前驅(qū)體蔗糖和制備Ge的前驅(qū)體乙鍺烷等中的一種。所述的聚合物單體是吡咯等。所述的聚合物是環(huán)氧樹(shù)脂或酚醛樹(shù)脂等。本發(fā)明的制備方法得到的自支撐高質(zhì)量單晶反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體的光子帶隙在150 2500nm之間；所述的自支撐高質(zhì)量單晶反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體是無(wú)機(jī)氧化物，選自Si02、Ti&和ZnO等中的一種；或者所述的自支撐高質(zhì)量單晶反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體是固體單質(zhì)，選自Si、C和Ge等中的一種；或者所述的自支撐高質(zhì)量單晶反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體是聚合物，選自聚吡咯、環(huán)氧樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂等中的一種。本發(fā)明的制備方法具有成本低廉、操作簡(jiǎn)便、綠色環(huán)保、普適性好等優(yōu)點(diǎn)。另外，由本發(fā)明得到的自支撐高質(zhì)量單晶光子晶體，由于晶面(111)面是最容易產(chǎn)生裂紋的晶面， 在本發(fā)明所制備的自支撐高質(zhì)量單晶光子晶體的最高堆積密度的(111)面完全不存在裂
5紋，由此可以保證在所制備的自支撐高質(zhì)量單晶光子晶體中的所有晶面都不存在裂紋。通過(guò)偏振光實(shí)驗(yàn)證實(shí)，長(zhǎng)程有序，重復(fù)排列的緊密堆積結(jié)構(gòu)使得由本發(fā)明的方法制得的光子晶體具有單晶結(jié)構(gòu)。同時(shí)，由于避免了裂紋的漫反射作用，使所制備的光子晶體的反射光譜窄化，峰強(qiáng)提高，由此提高了自支撐高質(zhì)量單晶光子晶體的光學(xué)性能。所制備的高質(zhì)量單晶光子晶體可以自支撐，無(wú)所依附的基底。上述這三方面的優(yōu)點(diǎn)可以推動(dòng)光子晶體在高效光學(xué)器件如濾波片、集成光路、全色顯示以及高靈敏光學(xué)檢測(cè)器等方面的實(shí)際應(yīng)用。


圖1.本發(fā)明實(shí)施例4的在全氟硅烷修飾的ITO玻璃表面，單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)乳膠?？孔陨碇亓M(jìn)行沉積制備得到的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體在正交的偏振體系下隨樣品旋轉(zhuǎn)角度，表面明暗的變化。圖2.本發(fā)明實(shí)施例4的在全氟硅烷修飾的ITO玻璃表面，單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)乳膠?？孔陨碇亓M(jìn)行沉積制備得到的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體的數(shù)碼照片。圖3.本發(fā)明實(shí)施例4的在全氟硅烷修飾的ITO玻璃表面，單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)乳膠?？孔陨碇亓M(jìn)行沉積制備得到的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體的放大倍數(shù)為20000倍的掃描電鏡照片。圖4.本發(fā)明實(shí)施例4的在全氟硅烷修飾的ITO玻璃表面，單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)乳膠?？孔陨碇亓M(jìn)行沉積制備得到的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體的放大倍數(shù)為50倍的掃描電鏡照片。圖5.本發(fā)明實(shí)施例4的在全氟硅烷修飾的ITO玻璃表面，單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)乳膠?？孔陨碇亓M(jìn)行沉積制備得到的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體的反射光譜，其半峰寬為15nm。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1.將粒徑為SOnm的單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)乳膠粒超聲分散于水中，形成乳液(乳液的濃度為0. 01wt% )，將所得到的乳液在溫度為5°C、濕度為 5%的條件下置于聚二甲基硅氧烷板材的表面(板材與水的接觸角為91°，對(duì)水的粘附力為280 μ N)，靠所述單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)乳膠粒的自身的重力進(jìn)行沉積，在聚二甲基硅氧烷板材的表面得到由所述的單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)乳膠粒自組裝形成的光子帶隙位于200nm的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。將上述制備得到的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體作為犧牲模板，將SiO2 溶膠滴涂在構(gòu)成所述犧牲模板的單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)乳膠粒之間的間隙中，在500°C下進(jìn)行煅燒，去除所述的單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)乳膠粒，得到光子帶隙位于150nm的自支撐高質(zhì)量單晶SiO2反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。實(shí)施例2.將粒徑為IlOOnm的單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯_丙烯酸)乳膠粒超聲分散于水中，形成乳液(乳液的濃度為30wt% )，將所得到的乳液在溫度為95°C、濕度為 95%的條件下置于聚氨酯疏水板材的表面(板材與水的接觸角為100°，對(duì)水的粘附力為 220 μ N)，靠所述單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)乳膠粒的自身的重力進(jìn)行沉積，在聚氨酯板材的表面得到由所述的單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸) 乳膠粒自組裝形成的光子帶隙位于2600nm的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。將上述制備得到的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體作為犧牲模板，將 Ti02溶膠用提拉方法填涂到構(gòu)成所述犧牲模板的單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)乳膠粒之間的間隙中，在500°C下進(jìn)行煅燒，去除所述的單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)乳膠粒，得到光子帶隙位于2500nm的自支撐高質(zhì)量單晶TW2反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。實(shí)施例3.將粒徑為IlOOnm的單分散聚苯乙烯乳膠粒超聲分散于水中，形成乳液(乳液的濃度為30wt% )，將所得到的乳液在溫度為60°C、濕度為60%的條件下置于聚乙烯板材的表面(板材與水的接觸角為130°，對(duì)水的粘附力為100 μ N)，靠所述單分散聚苯乙烯乳膠粒的自身的重力進(jìn)行沉積，在聚乙烯板材的表面得到由所述的單分散聚苯乙烯乳膠粒自組裝形成的光子帶隙位于2600nm的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。將上述制備得到的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體作為犧牲模板，將 TiO2溶膠用提拉方法填涂到構(gòu)成所述犧牲模板的單分散聚苯乙烯乳膠粒之間的間隙中，在 500°C下進(jìn)行煅燒，去除所述的單分散聚苯乙烯乳膠粒，得到光子帶隙位于2500nm的自支撐高質(zhì)量單晶T^2反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。實(shí)施例4.將粒徑為250nm的單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯_丙烯酸)乳膠粒超聲分散于水中，形成乳液(乳液的濃度為20wt% )，將所得到的乳液在溫度為60°C、濕度為60% 的條件下置于全氟硅烷修飾的ITO玻璃表面(修飾后的玻璃表面與水的接觸角為150°，對(duì)水的粘附力為20 μ N)，靠所述單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)乳膠粒的自身的重力進(jìn)行沉積，在液體石蠟覆蓋的玻璃表面得到由所述的單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)乳膠粒自組裝形成的光子帶隙位于712nm的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。如圖1-5所示。其中圖5為自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體的反射光譜，其半峰寬為15nm。將上述制備得到的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體作為犧牲模板，將 ZnO溶膠滴涂到構(gòu)成所述犧牲模板的單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)乳膠粒之間的間隙中，在450°C下進(jìn)行煅燒，去除所述的單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)乳膠粒，得到光子帶隙位于530nm的自支撐高質(zhì)量單晶ZnO反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。實(shí)施例5.將粒徑為300nm的單分散聚甲基丙烯酸甲酯乳膠粒超聲分散于水中，形成乳液 (乳液的濃度為5wt% )，將所得到的乳液在溫度為40°C、濕度為60%的條件下置于聚氯乙烯板材的表面(板材與水的接觸角為100°，對(duì)水的粘附力為230 μ N)，靠所述單分散聚甲基丙烯酸甲酯乳膠粒的自身的重力進(jìn)行沉積，在聚氯乙烯板材的表面得到由所述的單分散聚甲基丙烯酸甲酯乳膠粒自組裝形成的光子帶隙位于780nm的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。將上述制備得到的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體作為犧牲模板，將含催化量的濃度為98wt%的濃硫酸催化劑的60wt%蔗糖水溶液作為制備碳的前驅(qū)體，用浸涂的方法填充到構(gòu)成所述犧牲模板的單分散聚甲基丙烯酸甲酯乳膠粒之間的間隙中，在 180°C下進(jìn)行煅燒后，并進(jìn)一步用甲苯溶解單分散聚甲基丙烯酸甲酯乳膠粒，得到光子帶隙位于MOnm的自支撐高質(zhì)量單晶碳反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。實(shí)施例6.將粒徑為720nm的單分散二氧化硅微球超聲分散于水中，形成乳液(乳液的濃度為5wt% )，將所得到的乳液在溫度為40°C、濕度為60%的條件下置于聚氯乙烯板材的表面 (板材與水的接觸角為100°，對(duì)水的粘附力為230μΝ)，靠所述單分散二氧化硅微球的自身的重力進(jìn)行沉積，在聚氯乙烯板材的表面得到由所述的單分散二氧化硅微球自組裝形成的光子帶隙位于1850nm的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。將上述制備得到的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體作為犧牲模板，將熱固性酚醛樹(shù)脂用浸涂的方法填充到構(gòu)成所述犧牲模板的單分散二氧化硅微球之間的間隙中，在160°C下進(jìn)行煅燒固化后，并進(jìn)一步用氫氟酸溶解掉單分散二氧化硅微球，得到光子帶隙位于ieOOnm的自支撐高質(zhì)量單晶酚醛樹(shù)酯反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。實(shí)施例7.將粒徑為440nm的單分散聚甲基丙烯酸甲酯乳膠粒超聲分散于水中，形成乳液 (乳液的濃度為5wt% )，將所得到的乳液在溫度為40°C、濕度為60%的條件下置于液體石蠟覆蓋的玻璃表面(液體石蠟覆蓋的玻璃表面與水的接觸角為120°，對(duì)水的粘附力為 120 μ N)，靠所述單分散聚甲基丙烯酸甲酯乳膠粒的自身的重力進(jìn)行沉積，在全氟硅烷修飾的ITO玻璃表面得到由所述的單分散聚甲基丙烯酸甲酯乳膠粒自組裝形成的光子帶隙位于IlOOnm的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。將上述制備得到的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體作為犧牲模板，將吡咯單體用電化學(xué)沉積的方法填充到構(gòu)成所述犧牲模板的單分散聚甲基丙烯酸甲酯乳膠粒之間的間隙中，然后用四氫呋喃溶解掉單分散聚甲基丙烯酸甲酯乳膠粒，得到光子帶隙位于550nm的自支撐高質(zhì)量單晶聚吡咯反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。實(shí)施例8.將粒徑為440nm的單分散聚甲基丙烯酸甲酯乳膠粒超聲分散于水中，形成乳液 (乳液的濃度為5wt% )，將所得到的乳液在溫度為40°C、濕度為60%的條件下置于聚苯乙烯板材的表面(板材與水的接觸角為100°，對(duì)水的粘附力為230 μ N)，靠所述單分散聚甲基丙烯酸甲酯乳膠粒的自身的重力進(jìn)行沉積，在聚苯乙烯板材的表面得到由所述的單分散聚甲基丙烯酸甲酯乳膠粒自組裝形成的光子帶隙位于IlOOnm的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。將上述制備得到的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體作為犧牲模板，用浸涂的方法，將環(huán)氧樹(shù)脂填充到構(gòu)成所述犧牲模板的單分散聚甲基丙烯酸甲酯乳膠粒之間的間隙中，在160°C煅燒后，進(jìn)一步用四氫呋喃溶解掉單分散聚甲基丙烯酸甲酯乳膠粒，得到光子帶隙帶位于^Onm的自支撐高質(zhì)量單晶環(huán)氧樹(shù)脂反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。
實(shí)施例9.將粒徑為440nm的單分散聚甲基丙烯酸甲酯乳膠粒超聲分散于水中，形成乳液 (乳液的濃度為5wt% )，將所得到的乳液在溫度為40°C、濕度為60%的條件下置于聚氨酯覆蓋的玻璃表面(聚氨酯與水的接觸角為108°，對(duì)水的粘附力為200μΝ)，靠所述單分散聚甲基丙烯酸甲酯乳膠粒的自身的重力進(jìn)行沉積，在聚氨酯覆蓋的玻璃表面得到由所述的單分散聚甲基丙烯酸甲酯乳膠粒自組裝形成的光子帶隙位于IlOOnm的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。將上述制備得到的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體作為犧牲模板，用浸涂的方法，將熱固性酚醛樹(shù)脂填充到構(gòu)成所述犧牲模板的單分散聚甲基丙烯酸甲酯乳膠粒之間的間隙中，在160°C煅燒聚合后，進(jìn)一步用四氫呋喃溶解掉單分散聚甲基丙烯酸甲酯乳膠粒，得到光子帶隙位于550nm的自支撐高質(zhì)量單晶酚醛樹(shù)脂反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。實(shí)施例10.將粒徑為440nm的單分散二氧化硅微球超聲分散于水中，形成乳液(乳液的濃度為5wt% )，將所得到的乳液在溫度為40°C、濕度為60%的條件下置于硅油覆蓋的硅片表面 (硅油覆蓋的硅片表面與水的接觸角為108°，對(duì)水的粘附力為210 μ N)，靠所述單分散二氧化硅微球的自身的重力進(jìn)行沉積，在硅油覆蓋的硅片表面得到由所述的單分散二氧化硅微球自組裝形成的光子帶隙位于IlOOnm的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。將上述制備得到的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體作為犧牲模板，用化學(xué)氣相沉積的方法，將制備Si的前驅(qū)體乙硅烷沉積到構(gòu)成所述犧牲模板的單分散二氧化硅微球之間的間隙中，在600°C煅燒聚合后，進(jìn)一步用四氫呋喃溶解掉單分散二氧化硅微球，得到光子帶隙位于550nm的自支撐高質(zhì)量單晶Si反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。實(shí)施例11.將粒徑為440nm的單分散二氧化硅微球超聲分散于水中，形成乳液(乳液的濃度為5wt% )，將所得到的乳液在溫度為40°C、濕度為60%的條件下置于聚氯乙烯板材的表面 (板材與水的接觸角為100°，對(duì)水的粘附力為220μΝ)，靠所述單分散二氧化硅微球的自身的重力進(jìn)行沉積，在聚氯乙烯板材的表面得到由所述的單分散二氧化硅微球自組裝形成的光子帶隙位于IlOOnm的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。將上述制備得到的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體作為犧牲模板，用化學(xué)氣相沉積的方法，將制備Ge的前驅(qū)體乙鍺烷沉積到構(gòu)成所述犧牲模板的單分散二氧化硅微球之間的間隙中，在300°C煅燒聚合后，進(jìn)一步用四氫呋喃溶解掉單分散二氧化硅微球，得到光子帶隙位于550nm的自支撐高質(zhì)量單晶Ge反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。
權(quán)利要求
1.一種自支撐單晶光子晶體的制備方法，其特征是將單分散微球與水混合形成乳液，在溫度為5 95°C，濕度為5% 95%的條件下，將所得到的乳液置于對(duì)水具有粘附力 (F) < 300 μ N，且對(duì)水的接觸角(CA) >90°的疏水性基材的表面，靠乳液中所述的單分散微球自身的重力進(jìn)行沉積，在疏水性基材的表面上制備得到由所述的單分散微球自組裝形成的自支撐單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體；所述的單分散微球是單分散乳膠?；騿畏稚⒍趸栉⑶?。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是將制備得到的自支撐單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體作為犧牲模板，在構(gòu)成所述的作為犧牲模板的單分散微球之間的間隙中填充功能性物質(zhì)后，再進(jìn)一步去除所述的犧牲模板，制備得到自支撐單晶反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體；所述的功能性物質(zhì)是無(wú)機(jī)氧化物的溶膠、制備固體單質(zhì)的前驅(qū)體、聚合物單體或聚合物中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征是所述的無(wú)機(jī)氧化物的溶膠選自SiO2溶膠、TiO2溶膠和ZnO溶膠中的一種；所述的制備固體單質(zhì)的前驅(qū)體選自制備Si的前驅(qū)體乙硅烷、制備C的前驅(qū)體蔗糖和制備Ge的前驅(qū)體乙鍺烷中的一種；所述的聚合物單體是吡咯；所述的聚合物是環(huán)氧樹(shù)脂或酚醛樹(shù)脂。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征是所述的去除所述的犧牲模板所采用的方法選自煅燒、有機(jī)溶劑溶解及氫氟酸溶解方法中的一種或幾種；所述的煅燒溫度是160°C 600°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是所述的對(duì)水具有粘附力(F)< 300 μ N, 且對(duì)水的接觸角(CA) >90°的疏水性基材是塑料，或者是用上述塑料覆蓋的基材，或者是在全氟硅烷蒸氣中放置過(guò)的對(duì)水具有粘附力(F) < 300 μ N，且對(duì)水的接觸角(CA)彡90° 的基材；或者是用有機(jī)油覆蓋的基材；所述的塑料選自聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯中的一種；所述的有機(jī)油是液體石蠟或硅油。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是所述的單分散微球在乳液中的濃度為 0. 01 30wt%，其它為水。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或6所述的方法，其特征是所述的單分散微球的粒徑為80 IlOOnm ；所述的單分散乳膠粒選自單分散聚苯乙烯乳膠粒、單分散聚甲基丙烯酸甲酯乳膠粒、單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物乳膠粒中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的自支撐單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體的光子帶隙在200 ^OOnm之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的制備方法，其特征是所述的自支撐單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體選自聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)和二氧化硅蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體中的一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征是所述的自支撐單晶反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體的光子帶隙在150 2500nm之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求2或10所述的制備方法，其特征是所述的自支撐單晶反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體是無(wú)機(jī)氧化物，選自Si02、Ti&和SiO中的一種；或者所述的自支撐單晶反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體是固體單質(zhì)，選自Si、C和Ge中的一種；或者所述的自支撐單晶反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體是聚合物，選自聚吡咯、環(huán)氧樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂中的一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及自支撐高質(zhì)量單晶光子晶體的制備方法。本發(fā)明將單分散微球與水混合形成乳液，在溫度為5～95℃，濕度為5％～95％的條件下，將所得到的乳液置于對(duì)水具有低粘附力(F＜300μN(yùn))，且對(duì)水的接觸角CA≥90°的疏水性基材的表面，靠乳液中所述的單分散微球自身的重力進(jìn)行沉積，在疏水性基材的表面上制備得到由所述的單分散微球自組裝形成的高質(zhì)量自支撐單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體；將制備得到的自支撐高質(zhì)量單晶蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體作為犧牲模板，還可以制備得到自支撐高質(zhì)量單晶反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。本發(fā)明的制備方法成本低廉、操作簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保、普適性好。
文檔編號(hào)C30B29/18GK102409403SQ20111035938
公開(kāi)日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月14日
發(fā)明者宋延林, 王京霞, 黃羽 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所