一种光子晶体的制备方法以及由该方法制备的光子晶体技术

本发明专利技术公开了一种光子晶体的制备方法，包括提供含有单分散颗粒、表面活性剂和溶剂的乳液；将乳液施用于基底需要形成光子晶体的表面，以形成液体图案，乳液对基底需要形成光子晶体的表面的接触角为30-120°；将具有液体图案的基底干燥，得到光子晶体，干燥的温度和干燥的时间使得Pe满足2＜Pe＜10或者满足0＜Pe＜0.4，Pe＝(3h

Method for preparing photonic crystal and photon crystal prepared by the method

The invention discloses a preparation method of photonic crystals, including containing monodisperse particles, surfactant and solvent emulsion; emulsion applied to the surface of the substrate to form a photonic crystal, to form a liquid pattern, contact surface on the substrate to form emulsion photonic crystal angle of 30-120 degrees; the base will have liquid pattern drying, photonic crystal, drying temperature and drying time so that Pe satisfies 2 < Pe < 10 or meet 0 < Pe < 0.4, Pe = (3H

【技术实现步骤摘要】
一种光子晶体的制备方法以及由该方法制备的光子晶体
本专利技术涉及光子晶体制备

技术介绍
光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体，它是材料学、光学原理与集成技术以及微/纳米光电子技术相结合的一类新兴材料，是下一代光电器件和光子集成电路的发展趋势。由于光子晶体对光子具有类似于半导体对电子的调控作用，因此也被称为“光半导体”，在光子计算机，激光谐振腔、光波导通讯、结构色显示、光催化反应器、太阳能电池、燃料电池、化学和生物传感等领域具有广泛的应用前景。人们通过自然界中存在的少量具有结构色彩的物质中发现了光子晶体的结构。光子晶体在科学应用中，不仅要求具有光学尺度的周期性介电结构，以获得类似电子禁带的光子带隙，而且要求其介电常数与周围介质的介电常数的对比足够大，材料对辐射的吸收应尽量低。目前，光子晶体的制备方法很多，主要有两种途径。一类是自上而下(Top-down)的方法，主要依靠刻蚀等机械加工的方法实现，尽管精度高，但是效率低，而且成本高。另一类是自下而上(Bottom-up)的方法，也就是以胶体粒子为基本结构单元或组装模块，通过物理化学方法自组装或可控组装，形成有序的结构排列。自下而上的方法与机械加工的方法相比，具有效率高且成本低等优势。但是，相对于实际应用，自下而上的方法的制备效率仍然偏低，所形成的光子晶体一般缺陷也较多，能够形成的结构也较为有限，并且所形成的光子晶体也很难在保证光子晶体质量的条件下实现多种多样的图案。因此，如何实现以更低的成本，更高效地制备具有较高质量的光子晶体仍然是一个亟需解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有的光子晶体制备方法存在的不足，提供一种光子晶体图案的制备方法，与自上而下的制备方法相比，该方法能以较低的成本和更高的效率，制备具有较高质量的光子晶体图案。根据本专利技术的第一个方面，本专利技术提供了一种光子晶体的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)提供一种乳液，所述乳液含有至少一种单分散颗粒、至少一种表面活性剂和至少一种溶剂；(2)将所述乳液施用于基底需要形成光子晶体的表面，以在该表面形成液体图案，所述乳液对基底需要形成光子晶体的表面的接触角为30°至120°，优选为40°至60°；以及(3)将具有所述液体图案的基底进行干燥，以脱除所述液体图案中的溶剂，得到光子晶体，其中，所述干燥的温度为T，脱除所述液体图案中的溶剂所需的干燥时间为tf，T和tf使得Pe满足以下关系式I和关系式II中的一者：关系式I：2＜Pe＜10，关系式II：0＜Pe＜0.4，其中，h为液体图案的厚度，以m计，η为所述乳液中的溶剂在温度T下的动力粘度，以Pa·s计，r为所述乳液中的单分散颗粒的水力半径，以m计，tf为脱除所述液体图案中的溶剂所需的干燥时间，以s计，kB为玻尔兹曼常数，以J/K计，T为干燥的温度，以K计，t为时间间隔，取值为1s。根据本专利技术的第二个方面，本专利技术提供了一种反蛋白石结构光子晶体图案的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)采用本专利技术第一个方面所述的方法制备光子晶体图案，其中，所述乳液中的单分散颗粒选自有机颗粒，在基底表面形成的液体图案为点阵；(2)在光子晶体点阵的间隙沉积氧化物颗粒和/或氧化物前驱体颗粒后，进行焙烧。根据本专利技术的第三个方面，本专利技术提供了由本专利技术第一个方面或者第二个方面所述的方法制备的光子晶体。与自上而下的制备方法相比，根据本专利技术的光子晶体图案的制备方法的成本低且制备效率高。与现有的自下而上的制备方法相比，采用本专利技术的方法制备的光子晶体图案具有以下优势：(1)光子晶体图案膜的反射光谱中，半峰宽更窄，能达到30-60nm，甚至能达到30-40nm，且获得的光子晶体图案膜的表面更为平整，因而光子晶体图案的颜色更为鲜明；(2)能获得更薄的光子晶体图案膜，一方面能满足对光子晶体图案膜的厚度要求较小的使用场合的要求，另一方面还能降低由于膜厚度增加而引发的裂纹数量；(3)适用性强，不仅适用于多种类型的基底，而且可以采用多种方法在不同基底表面形成具有不同形态的液体图案。另外，根据本专利技术的方法简单快速，使用的原料来源广泛，适于规模化实施。附图说明附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。图1用于说明实施例1制备的光子晶体，其中，图1a用于说明制备的光子晶体的点阵图案，图1b为制备的光子晶体图案的扫描电镜照片，图1c为制备的光子晶体图案的紫外-可见光谱图，图1d用于说明制备的光子晶体由紫外-可见光谱图确定的半峰宽。图2是实施例3制备的具有反蛋白石结构的光子晶体的扫描电镜照片。具体实施方式以下对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。本专利技术提供了一种光子晶体的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)提供一种乳液，所述乳液含有至少一种单分散颗粒、至少一种表面活性剂和至少一种溶剂；(2)将所述乳液施用于基底需要形成光子晶体的表面，以在该表面形成液体图案，所述乳液对基底需要形成光子晶体的表面的接触角为30°至120°，优选为40°至60°，更优选为40°至50°；以及(3)将具有所述液体图案的基底进行干燥，以脱除所述液体图案中的溶剂，得到光子晶体。本专利技术中，“至少一种”是指一种或两种以上。所述单分散颗粒具有与空气不同的光折射率，可以为光子晶体制备领域常用的单分散颗粒，本专利技术对此没有特别限定，可以根据制备的光子晶体的具体使用场合进行选择。具体地，所述单分散颗粒可以为有机颗粒、无机颗粒、有机-无机复合颗粒和量子点中的一种或两种以上的组合。采用一种单分散颗粒可以制备颜色均一的光子晶体。在制备具有不同色彩的光子晶体时，可以将对空气具有不同光折射率的两种以上单分散颗粒组合使用。所述无机颗粒可以为金属单质颗粒、非金属单质颗粒和氧化物颗粒中的一种或两种以上的组合。所述金属单质颗粒可以为贵金属单质颗粒，也可以为非贵金属单质颗粒，其具体实例可以包括但不限于铂颗粒、金颗粒、银颗粒和铜颗粒。所述非金属单质颗粒的具体实例可以包括但不限于碳颗粒和硅颗粒。所述氧化物颗粒的具体实例可以包括但不限于氧化锌颗粒、氧化铁颗粒、四氧化三铁颗粒、氧化钛颗粒和氧化硅颗粒。所述有机颗粒可以为人工合成大分子颗粒和/或天然大分子颗粒，如人工聚合物颗粒、天然聚合物颗粒和生物大分子颗粒。所述聚合物颗粒可以为通过链式聚合、开环聚合和缩合聚合中的一种或多种方法聚合形成的聚合物颗粒。具体地，所述有机颗粒的实例可以包括但不限于具有核壳结构的聚合物颗粒、聚苯乙烯颗粒、聚丙烯酸颗粒和聚甲基丙烯酸甲酯颗粒中的一种或两种以上。所述具有核壳结构的聚合物颗粒是指具有核心和壳层，并且核心和壳层通过化学键键合在一起的聚合物颗粒，所述核心可以为聚苯乙烯，所述壳层可以为丙烯酸型单体形成的聚合物，如聚丙烯酸、聚丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸甲酯中的一种或两种以上的组合形成的聚合物。所述有机-无机复合物颗粒是指由有机分子与无机物形成的颗粒，可以为有机物包覆的无机颗粒(即，颗粒的核心为无机物，在核心的至少部分表面包覆有机物)和/或无机物包覆的有机物颗粒(即，颗粒的核心为有机物，在核本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光子晶体的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)提供一种乳液，所述乳液含有至少一种单分散颗粒、至少一种表面活性剂和至少一种溶剂；(2)将所述乳液施用于基底需要形成光子晶体的表面，以在该表面形成液体图案，所述乳液对基底需要形成光子晶体的表面的接触角为30°至120°，优选为40°至60°；以及(3)将具有所述液体图案的基底进行干燥，以脱除所述液体图案中的溶剂，得到光子晶体，其中，所述干燥的温度为T，脱除所述液体图案中的溶剂所需的干燥时间为t

【技术特征摘要】
1.一种光子晶体的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)提供一种乳液，所述乳液含有至少一种单分散颗粒、至少一种表面活性剂和至少一种溶剂；(2)将所述乳液施用于基底需要形成光子晶体的表面，以在该表面形成液体图案，所述乳液对基底需要形成光子晶体的表面的接触角为30°至120°，优选为40°至60°；以及(3)将具有所述液体图案的基底进行干燥，以脱除所述液体图案中的溶剂，得到光子晶体，其中，所述干燥的温度为T，脱除所述液体图案中的溶剂所需的干燥时间为tf，T和tf使得Pe满足以下关系式I和关系式II中的一者：关系式I：2＜Pe＜10，关系式II：0＜Pe＜0.4，其中，Pe＝(3h2ηr/tf2kBTt)1/2h为液体图案的厚度，以m计，η为所述乳液中的溶剂在温度T下的动力粘度，以Pa·s计，r为所述乳液中的单分散颗粒的水力半径，以m计，tf为脱除所述液体图案中的溶剂所需的干燥时间，以s计，kB为玻尔兹曼常数，以J/K计，T为干燥的温度，以K计，t为时间间隔，取值为1s。2.根据权利要求1所述的方法，其中，关系式I中，2.01≤Pe≤3，优选地，2.01≤Pe≤2.5；关系式II中，0＜Pe≤0.2，优选地，0.01≤Pe≤0.1，更优选地，0.04≤Pe≤0.06。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，制备的光子晶体为二维膜状，T和tf使得Pe满足关系式I；制备的光子晶体为一维线状，T和tf使得Pe满足关系式II。4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，通过对以下参数中的一者或两者以上的组合进行调整，获得能使Pe满足关系式I或者关系式II的T和tf，参数A：具有所述液体图案的基底在干燥时所处环境的湿度；参数B：具有所述液体图案的基底在干燥时所处环境的真空度；参数C：所述乳液中的溶剂的沸点；参数D：所述乳液中的单分散颗粒的水力半径。5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，所述光子晶体为二维膜状光子晶体，所述干燥的温度与所述溶剂的沸点的差值在2-30℃的范围内，优选在20-30℃的范围内，所述沸点为在1标准大气压下测定的沸点；或者所述光子晶体为一维线状光子晶体，所述干燥的温度与所述溶剂的凝固点的差值在2-30℃的范围内，优选在10-20℃的范围内，所述凝固点为在1标准大气压下测定的凝固点。6.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其中，相对于100重量份溶剂，所述单分散颗粒的含量为0.1-45重量份，优选为0.1-20重量份，更优选为0.1-10重量份，进一步优选为0.5-5重量份，更进一步优选为1-3重量份；相对于100重量份单分散颗粒，所述表面活性剂的含量为1×...

【专利技术属性】
技术研发人员：李亚楠，杨强，李明珠，宋延林，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11