本方法涉及一种减压自组装生长三维光子晶体薄膜的方法，是在８～９０℃，０．５～５０ｋＰａ，将单分散的用于光子晶体的胶体溶液，按照常规的垂直沉积法，进行１～２小时的自组装生长，得到三维光子晶体薄膜。本发明专利技术还提供一种自组装生长三维光子晶体薄膜的装置，包括一生长沉积瓶，装于其外部的恒温装置，和固定于生长沉积瓶中的载玻片，其特征在于：所述的生长沉积瓶为一密封的、通过真空抽气管接头及抽气管和抽真空系统相连的沉积瓶。使用本方法提供的自组装生长三维光子晶体薄膜的方法，在较低的温度和较短的时间，即可生长出１ｃｍ长、５～２０层胶体颗粒厚度的三维光子晶体薄膜，且晶体的光学质量非常好。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种减压自组装生长三维光子晶体薄膜的方法及装置。
技术介绍
光子晶体的概念是E.Yablonovich和S.John于1987年分别独立提出的，它是由两种或两种以上具有不同介电函数的材料在空间周期性排列而形成的一种人造晶体。光子晶体具有光子带隙，可调节光子在其中的传播状态，这种独特的功能使它在集成光子器件和光通讯领域具有广泛的应用前景。光子晶体的制备方法主要有微加工刻蚀技术，利用多光束干涉产生光强周期分布的方法，包括静电力自组织生长法，重力沉降法等在内的微粒的自组装方法。但这些方法或是制备工艺复杂，或是生长晶体质量不高，或是生长时间过长，有的甚至长达数周。其中，垂直沉积法是自组装制备高性能的光子晶体薄膜的一条有效途径(文献1Jiang P，Bertone JF，Hwang KS，Single-crystal colloidal multilayers of controlledthickness CHEMISTRY OF MATERIALS 11(8)2132-2140，1999，AUG)，与其他自组装方法相比，其制备的晶体质量和制备工艺已有很大改进。这种方法是在一定温度及湿度条件下，将基片垂直插入单分散胶体颗粒的悬浊液中，利用基片上润湿薄膜处溶剂蒸发所产生的压力差，将胶体颗粒推向基片并排列成有序的密堆积结构，从而形成胶体颗粒组成的光子晶体薄膜。但是，这种方法存在以下缺点首先，受到胶体颗粒粒径的限制，仅对于粒径在400nm左右的胶体颗粒比较适宜。但对于粒径大的胶体颗粒，由于受重力作用，其沉积的速度会大于溶剂蒸发的速度，导致胶体颗粒的有序排列被破坏。其次，这种方法生长1cm长的晶体薄膜通常需要3～4天，其生长时间仍然过长。在文献2J.AM.CHEM.SOC.2003，125，15589-15598，Colloidal Crystal FilmsAdvances in Universality and Perfection，Sean Wong，Vladimir Kitaev，and Geoffrey A.Ozin中报道了一种垂直沉积法的改进方法，该方法是在恒定于接近乙醇的沸点(79.8+/-0.3℃)的温度条件下，将基片垂直插入单分散二氧化硅胶体颗粒的乙醇悬浊液中，从而形成二氧化硅胶体颗粒组成的光子晶体薄膜。这种方法生长1cm长的光子晶体需要大约1～2小时，并且适用于生长粒径1um的二氧化硅胶体颗粒组成的光子晶体。这种方法虽然克服了以往生长二氧化硅胶体光子晶体存在的两大缺点，但仍存在很大局限性，其只适用于生长二氧化硅等无机材料光子晶体。因为此方法需在接近胶体溶液的沸点的温度下进行，当胶体颗粒是由有机材料或具有生命活性物质组成时，接近溶剂沸点温度组装一方面影响了生命物质的活性，另一方面影响了有机颗粒的形状，以至于不能完成组装。例如聚苯乙烯颗粒的水溶液胶体，其中的聚苯乙烯胶体颗粒在高于60℃时就会发生形变，当高于80℃时就会粘连在一起，到接近水的沸点100℃时，聚苯乙烯小球已完全形变，不能完成组装。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术自组装生长三维光子晶体薄膜，不适用于胶体颗粒过大或胶体溶液体系中溶剂沸点过高或胶体颗粒不耐高温度等情况，以及生长时间过长的缺陷，从而提供一种高效率，易于控制，操作简单，生长光子晶体质量高，重复性好，适用于任何粒径和种类胶体颗粒的减压控制溶剂沸点温度的自组装生长三维光子晶体薄膜方法及装置。本专利技术的目的是通过如下的技术方案实现的本方法提供一种减压自组装生长三维光子晶体薄膜的方法，包括如下的步骤在8～90℃，0.5～50kPa，将单分散的用于光子晶体的胶体溶液，其余步骤按照常规的垂直沉积法，进行1～2小时的自组装生长，得到三维光子晶体薄膜。所述的用于光子晶体的胶体溶液包括聚苯乙烯、二氧化硅以及其它核壳结构的小球的胶体溶液；所述的聚苯乙烯胶体溶液是聚苯乙烯小球含量为0.03～5.0wt％(重量百分比)的水溶液，其中的聚苯乙烯小球的粒径为20～1200nm；所述的二氧化硅胶体溶液是二氧化硅、乙醇或/和水的混合溶液，在所述的乙醇、水，或乙醇和水的混合溶液中，二氧化硅小球的含量为0.05～8.0wt％(重量百分比)，其粒径为20～1200nm；所述的其它核壳结构的小球的胶体溶液包括二氧化硅外包银(SiO2@Ag)胶体溶液、二氧化硅外包聚苯乙烯(SiO2@PS)胶体溶液、聚苯乙烯外包二氧化硅(PS@SiO2)胶体溶液、金外包二氧化硅(Au@SiO2)胶体溶液、金外包二氧化钛(Au@TiO2)胶体溶液、银外包二氧化硅(Ag@SiO2)胶体溶液、银外包二氧化钛(Ag@TiO2)胶体溶液；所述的二氧化硅外包银(SiO2@Ag)胶体溶液是SiO2@Ag小球含量为0.05～10wt％(重量百分比)的水溶液，其中的SiO2@Ag小球粒径为50～1000nm；所述的二氧化硅外包聚苯乙烯(SiO2@PS)胶体溶液是SiO2@PS小球含量为0.03～6wt％(重量百分比)的水溶液，其中的SiO2@PS小球的粒径为50～1000nm；所述的聚苯乙烯外包二氧化硅(PS@SiO2)胶体溶液是PS@SiO2小球含量为0.03～6wt％(重量百分比)的水溶液，其中的Ps@SiO2小球的粒径为50～1000nm；所述的金外包二氧化硅(Au@SiO2)胶体溶液是Au@SiO2小球含量为0.05～10wt％(重量百分比)的水溶液，其中的Au@SiO2小球的粒径为30～1000nm；所述的金外包二氧化钛(Au@TiO2)胶体溶液是Au@TiO2小球含量为0.05～10wt％(重量百分比)的水溶液，其中的Au@TiO2小球的粒径为50～1000nm；所述的银外包二氧化钛(Ag@TiO2)胶体溶液是Ag@TiO2小球含量为0.3～15wt％(重量百分比)的水溶液，其中的Ag@TiO2小球的粒径为30～1000nm；所述的银外包二氧化硅(Ag@SiO2)胶体溶液是Ag@SiO2小球含量为0.3～15wt％(重量百分比)的水溶液，其中的Ag@SiO2小球的粒径为50～1000nm。本专利技术提供一种减压自组装生长三维光子晶体薄膜的装置，如图1所示，包括生长沉积瓶1，装于其外部的恒温装置2，和固定于生长沉积瓶1中的载玻片3，其特征在于所述的生长沉积瓶为一密封的、通过真空抽气管接头4及抽气管5和抽真空系统6相连的沉积瓶。所述的恒温装置可以是各种常规的恒温或恒温加热装置。使用本方法提供的减压自组装生长三维光子晶体薄膜的方法，在较低的温度和较短的时间，即可生长出1cm长、5～20层胶体颗粒厚度的三维光子晶体薄膜。本方法是对现有的垂直沉积法进行的改进，通过连接于生长沉积瓶的真空系统，降低生长三维光子晶体薄膜的体系内的压力。一方面，利用了降低压强可降低液体沸点的原理，在恒温的同时对生长体系抽真空降低压强，可以使诸如聚苯乙烯小球水溶液等有机材料或具有生命活性物质的颗粒的胶体溶液的沸点降低至对胶体颗粒形貌及性质无影响的温度，使其在接近此沸点温度时生长光子晶体薄膜，避免了胶体颗粒由于高温产生的形变，粘连或性质改变，从而保证可以得到高性能的光子晶体薄膜。另一方面，对生长体系抽真空的同时，加速了表面液体的蒸发速度，使得液体内部形成快本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种减压自组装生长三维光子晶体薄膜的方法，包括如下的步骤：在８～９０℃，０．５～５０ｋＰａ，将单分散的用于光子晶体的胶体溶液，按照常规的垂直沉积法，进行１～２小时的自组装生长，得到三维光子晶体薄膜。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：孟庆波，郑中玉，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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