專利名稱：一種動(dòng)態(tài)物理限制條件下的光子晶體模板制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于膠體光子晶體模板的制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種動(dòng)態(tài)物理限制條件下的光子晶體模板制備方法，具體地說(shuō)是一種物理限制條件下，膠體微球在一定流速情況下，自組裝及制備二維、三維光子晶體的方法。
背景技術(shù)：
光子晶體(Photonic Band-Gap簡(jiǎn)稱PBG)材料亦稱光子晶體(Photonic Crystals)，指介電常數(shù)(折射率)周期性變化的材料，是目前信息功能材料研究中的前沿課題。光子晶體具有獨(dú)特的調(diào)節(jié)光傳播狀態(tài)的功能，在光電集成，光子集成，光通訊等領(lǐng)域具有非常廣泛的前景。光子晶體在光學(xué)方面的應(yīng)用要求其周期常數(shù)要在亞微米即幾百納米量級(jí)。人工制備周期性三維光子晶體的方法有精密機(jī)器加工法，半導(dǎo)體微制造法，激光全息照相法及膠體自組裝法。上述幾種方法中，當(dāng)前最成功的制備方法是自組裝蛋白石及其改進(jìn)技術(shù)。該方法利用膠體溶液中的單分散微球自動(dòng)趨向于能量最低的密排六方排列形式。自組裝方法包括重力作用下的自由沉積，外加電場(chǎng)誘導(dǎo)沉積，靜電力驅(qū)動(dòng)沉積等。由這些方法制備的光子晶體是單分散的二氧化硅微球或聚苯乙烯微球組成的具有面心密排結(jié)構(gòu)的膠體晶體。王京霞等(CN200510012021.6)采用膠體自然條件下自組裝的方法制備膠體膜，這種方法制得的光子晶體缺陷較多，不容易獲得大面積的模板。李愛(ài)東等(CN200510041578.2)采用靜態(tài)的方法，讓膠體在兩片模板之間自然生長(zhǎng)，獲得可控層數(shù)的二維、三維光子晶體，這種方法制得的光子晶體不是很致密，容易從模板上脫落。田潔等(CN02160212.3)采用單光束光鑷與自組織相結(jié)合的方法能夠制備出可控缺陷態(tài)的三維光子晶體。該方法能夠精確控制缺陷的位置，但仍然是一種靜態(tài)自組裝的模式，所獲得的光子晶體模板仍然不夠致密，且不容易獲得較大面積的模板。R.M.阿莫斯等(CN00815379.5)設(shè)計(jì)了一種生長(zhǎng)堅(jiān)固大面積的膠體光子晶體方法。該方法涉及到尺度單一化的聚合物膠體的懸浮液，通過(guò)施加直線剪切力使膠體排列成面心立方的晶體結(jié)構(gòu)。但是這種方法制得的晶體厚度依賴于隔離微珠的直徑，并且隔離珠的位置在振動(dòng)過(guò)程中容易發(fā)生位移。本發(fā)明結(jié)合上述幾種方法的優(yōu)點(diǎn)，采取一種相對(duì)簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)操作方式，制備出結(jié)構(gòu)堅(jiān)固致密、排列整齊的較大面積光子晶體模板。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種動(dòng)態(tài)物理限制條件下的光子晶體模板制備方法，克服上述方法中不容易獲得大面積、致密堅(jiān)固的光子晶體或光子晶體模板容易從基體上脫落等缺點(diǎn)，采用動(dòng)態(tài)物理限制的方式，提供一種相對(duì)簡(jiǎn)單的生長(zhǎng)三維光子晶體結(jié)構(gòu)的方法及裝置。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下方案實(shí)現(xiàn)的選擇模板材料模板材料為ITO玻璃或硅片；實(shí)驗(yàn)中采用的微球乳液為聚苯乙烯(Polystyrene，PS)微球(Bangs lab，USA)，均勻分散在溶劑中，至形成乳白色均勻稀釋的懸浮液，置于瓶中備用。
將模板切割，用NaOH的乙醇飽和溶液浸泡，并用去離子水及清洗液超聲清洗，去離子水淋洗，置于去離子水中待用。
兩片模板相對(duì)，在其左右的邊緣各放置聚乙烯薄膜，然后用膠水黏結(jié)。將其以0°～90°的傾斜角放置在生長(zhǎng)容器內(nèi)，實(shí)驗(yàn)中選用的模板與微球的水(乙醇)基懸浮液間有良好的浸潤(rùn)性，借助毛細(xì)管力作用，稀釋?xiě)腋∫褐饾u充滿整個(gè)縫隙。然后用平流泵將微球乳液以0.1～2.0cm/min的流速在兩板空隙中循環(huán)18～40小時(shí)，然后逐漸放緩至0流速。借助流體剪切力的作用，微球在兩板間隙中、中央流速區(qū)兩側(cè)排列致密，并且能有效地避免缺陷。然后將此樣品裝置放置在恒溫恒濕中，懸浮液會(huì)自組裝形成致密堅(jiān)固的有序光子晶體結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明所述的模板材料可以為有圖案，也可以為光滑的；模板材料的形狀可以為長(zhǎng)方形，也可以為正方形，長(zhǎng)寬為1cm～5cm。
本發(fā)明所述的溶劑可以為無(wú)水乙醇，也可以為去離子水或兩者的混合。
本發(fā)明所述的微球乳液可以為聚苯乙烯微球，也可以為二氧化硅微球。
本發(fā)明的特點(diǎn)能夠制備出面積較大的堅(jiān)固致密蛋白石膠體晶體模板，且排列高度有序，缺陷少。通過(guò)控制模板間的間隔、乳液的濃度和流速，來(lái)達(dá)到控制所制備蛋白石的厚度，其方法簡(jiǎn)便易行，制備的光子晶體模板致密堅(jiān)固，不容易從基片上脫落，并且能夠有效地減少缺陷。并且，工藝簡(jiǎn)單，成本低，效率高，制備的模板致密，不容易從基板上脫落，具有較強(qiáng)的可操作性和可重復(fù)性。


附圖1為本發(fā)明產(chǎn)生三維光子晶體結(jié)構(gòu)的裝置圖。
附圖2、3本發(fā)明產(chǎn)生三維光子晶體結(jié)構(gòu)的斷面圖。
附圖4、5是采用本發(fā)明生長(zhǎng)出的三維光子晶體的掃描電子顯微鏡照片。
具體實(shí)施例方式
圖1表明施加流動(dòng)剪切力到含聚合物膠體懸浮液生產(chǎn)光子晶體的常規(guī)方法。
實(shí)施例1PS微球均勻分散在體積比為2∶3的去離子水和無(wú)水乙醇的混合液中，至形成乳白色均勻稀釋的懸浮液，置于瓶中備用。
將ITO玻璃切割成10×30mm，用NaOH的乙醇飽和溶液浸泡，并用去離子水及清洗液超聲清洗，后去離子水淋洗，置于去離子水中待用。兩片ITO玻璃的導(dǎo)電面相對(duì)，在其左右的邊緣各放置8um的聚乙烯薄膜，然后用膠水黏結(jié)，夾子固定，并將此簡(jiǎn)易裝置按30°放置。實(shí)驗(yàn)中選用的ITO玻璃與PS微球的水基懸浮液間有良好的浸潤(rùn)性，借助毛細(xì)管力的作用，稀釋?xiě)腋∫撼錆MITO玻璃的整個(gè)縫隙，形成ITO玻璃/稀釋?xiě)腋∫?ITO玻璃的三層結(jié)構(gòu)。啟動(dòng)平流泵，讓?xiě)腋∫涸趦苫g以0.5cm/min的速度緩慢循環(huán)，依靠乳液流動(dòng)剪切力作用，PS微球在基片的兩個(gè)底角沉積，由于毛細(xì)管力的作用，PS微球會(huì)自組裝，18小時(shí)后，平流泵逐漸緩慢降低至0。將此樣品裝置取出，垂直放置于溫度40℃，濕度80％的恒溫恒濕箱中2～3天，PS微球自組裝形成致密堅(jiān)固的有序光子晶體模板結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例2步驟與實(shí)施例1相似，不同之處在于去離子水與無(wú)水乙醇的分散體積比為1∶4。所用基板為拋光硅片，并使兩拋光硅片的拋光面相對(duì)，簡(jiǎn)易裝置放置角度為45°。平流泵循環(huán)速度為1.0cm/min，40小時(shí)后，平流泵逐漸緩慢降低至0，其余操作同實(shí)施例1。
圖2和3分別大致表示兩基片間膠體晶體橫斷面和縱斷面示意圖。光子晶體在中央乳液流動(dòng)區(qū)域生長(zhǎng)相對(duì)疏松一些，在基片的兩側(cè)生長(zhǎng)致密而堅(jiān)固，且得到的面積較大。
將所獲得的光子晶體在掃描電鏡(ZEISS-SUPRA55，德國(guó))下觀察其形貌，如圖4、5所示。
權(quán)利要求
1.一種動(dòng)態(tài)物理限制條件下的光子晶體模板制備方法，其特點(diǎn)在于，制備步驟為(1)微球乳液均勻分散在溶劑中，至形成乳白色均勻稀釋的懸浮液，置于瓶中備用；(2)將模板切割，用NaOH的乙醇飽和溶液浸泡，并用去離子水及清洗液超聲清洗，去離子水淋洗，置于去離子水中待用；(3)將兩片模板對(duì)應(yīng)的兩邊粘合，并留有1μm～10μm的空隙；(4)將上述的模板傾斜0°～90°角度放入生長(zhǎng)器內(nèi)；(5)膠體微球乳液與溶劑以體積比1∶4～2∶3混合；(6)控制微球乳液的流速為0.1～2.0cm/min，并維持18～40小時(shí)，然后逐漸緩慢降低至0；(7)將模板放入恒溫恒濕箱中，控制其溫度40～80℃，濕度60～80％；自組裝成高質(zhì)量的光子晶體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的模板材料為有圖案或光滑的；模板材料的形狀為長(zhǎng)方形或正方形，長(zhǎng)寬為1cm～5cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的溶劑為無(wú)水乙醇，去離子水或兩者的混合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的微球乳液為聚苯乙烯微球或二氧化硅微球。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于兩模板之間所放置的薄膜由聚乙烯、聚氯乙烯或其他高分子材料制成。
全文摘要
一種動(dòng)態(tài)物理限制條件下的光子晶體模板制備方法，屬于膠體光子晶體模板的制備技術(shù)領(lǐng)域。制備步驟為微球乳液均勻分散在溶劑中，將模板切割，將兩片模板對(duì)應(yīng)的兩邊粘合，將上述的模板傾斜0°～90°角度放入生長(zhǎng)器內(nèi)；膠體微球乳液與溶劑混合，微球乳液的流速為0.1～2.0cm/min，循環(huán)時(shí)間為18～40小時(shí)，逐漸緩慢降低至0，將模板放入恒溫恒濕箱中，控制其溫度40～80℃，濕度60～80％；自組裝成高質(zhì)量的光子晶體。優(yōu)點(diǎn)在于，該方法能夠制備出面積較大的堅(jiān)固致密蛋白石膠體晶體模板，且排列高度有序，缺陷少。工藝簡(jiǎn)單，成本低，效率高，制備的模板致密，不容易從基板上脫落，具有較強(qiáng)的可操作性和可重復(fù)性。
文檔編號(hào)C30B5/00GK101070606SQ20071006521
公開(kāi)日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2007年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月6日
發(fā)明者高建勛, 董洪榮, 孔祥華, 蔡敏敏, 石琳 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)