本发明专利技术公开了一种构筑三维有序的金属氧化物反蛋白石光子晶体薄膜的制备方法。该方法包括下述步骤：将聚苯乙烯微球与相应溶剂按比例混合，得到微球乳液备用；在恒温的环境条件下，采用竖直沉积自组装法在基板上得到大面积有序排列的光子晶体模板，其中，通过调整甘油的质量，可减少模板开裂现象的发生；在光子晶体模板的基础上，将金属前驱体溶液填充到模板孔隙中，去除模板微球，最终得到含有周期性排列孔的反蛋白石光子晶体薄膜。本发明专利技术可用于所有尺寸PS球的模板及反蛋白石的制备，所制备的光子晶体模板结构缺陷少、排列高度有序、方法成本低、可重复性高、适用性强，制备的高质量光子晶体薄膜具有稳定保持的结构色。子晶体薄膜具有稳定保持的结构色。子晶体薄膜具有稳定保持的结构色。
【技术实现步骤摘要】
一种金属氧化物反蛋白石光子晶体薄膜的制备方法
本专利技术涉及光子晶体制备
，尤其涉及一种构筑三维有序的金属氧化物反蛋白石光子晶体薄膜的制备方法。
技术介绍
自20世纪90年代Vevel成功制备出三维有序大孔(3DOM)材料以来，有序多孔材料就引起了化学、材料及物理学专家的高度重视，成为迅速兴起的新型纳米结构材料。其中，反蛋白石晶体因其可制备材料范围广泛、容易实现完全光子带隙和光子禁带的功能化而收到广泛关注，已经拓宽了在光学器件、生物检测和光电催化等领域的应用。
[0003]反蛋白石晶体虽然成本低廉，制备简单，但是其微观形貌取决与模板的质量。目前，常用的制备反蛋白石薄膜的方法是物理自组装法，包括旋涂、竖直沉积、滴涂、限位生长等方法，其中晶体模板通过竖直沉积自组装法生长最主要的方式是在表面张力和微球之间的静电斥力的共同作用下完成生长过程。在垂直沉积过程初期，玻璃基底表面形成一层弯月形界面，当乳液蒸发的时候，PS微球在毛细管力的作用下到达弯月形界面，以密排结构进行自组装。由于其能得到有良好取向的晶体域、高质量低缺陷且厚度可控的大面积光子晶体，已经被众多研究者广泛采用。但在干燥过程中，会因相对较高的表面张力导致不可避免地形成垂直于基材的裂缝，出现结构缺陷，破坏光电极结构，限制了光子晶体薄膜在相关领域的进一步应用。因此，寻找一种更简便、更绿色、更低成本、更有效遏止光子晶体薄膜开裂的方法变得愈加重要。本专利技术仅通过添加甘油即可大幅度减少微球收缩协同作用，调整介质与模板的浸润性，进而减少光子晶体薄膜开裂现象的发生。但过量甘油会显著减少蒸发驱动的流动，导致输送到组装前的PS球颗粒更少，使组装后的模板厚度和质量降低，因此，需要适当调整甘油的质量。相关工作目前鲜有文献报道。本专利技术所制备的光子晶体模板结构缺陷少、排列高度有序、方法成本低、可重复性高、适用性强。
技术实现思路
基于上述现有技术存在的缺陷，本专利技术的第一目的是提供了一种构筑三维有序的金属氧化物反蛋白石光子晶体薄膜的制备方法。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种构筑三维有序的金属氧化物反蛋白石光子晶体薄膜的制备方法，包括下述顺序的步骤：1)将相同粒径的聚苯乙烯微球与相应溶剂按比例混合，并将基板竖直放在溶剂中，通过竖直沉积自组装法在恒温的条件下烘干溶剂并固化，在基板上得到有序排列的光子晶体模板；具体为：将相同粒径的聚苯乙烯微球与相应溶剂按比例混合，并将基板竖直放在混合溶液中，于混合溶液中还添加有甘油，通过控制甘油的质量保持模板表面的湿润度，其中每20ml水中加入的甘油质量为0.1g～0.4g(优选0.2g～0.4g，更优选0.2g～0.3g)；在恒温条件下烘干溶剂并固化的过程中，通过竖直沉积自组装法利用弯月面处的毛细管力在基
板上得到光子晶体模板；此时因液体分子间的作用力和液体与固体分子间的相互作用力使接触面发生弯曲进而形成弯月面。2)通过滴涂或浸渍的方式将金属前驱体溶液填充到光子晶体模板孔隙中，去除模板微球，最终得到具有立方密堆积结构的反蛋白石光子晶体薄膜。所述步骤1中的聚苯乙烯微球的粒径为200nm～800nm，所述粒径为A是指平均粒径A，粒径分布为A
‑
3至A+3(即粒径分布为平均粒径值A
±
3nm)，优选粒径分布为A
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1至A+1(即粒径分布为平均粒径值A
±
1nm)，更优选粒径分布为A
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0.2至A+0.2(即粒径分布为平均粒径值A
±
0.2nm)，最优选为相同粒径(即粒径分布为平均粒径值A
±
0nm)；所述的溶剂为水，溶液中聚苯乙烯微球为水的0.1wt％～0.3wt％。所述步骤1中的基板为1cm
×
1cm～1cm
×
3cm的FTO导电玻璃，首先将FTO导电玻璃依次在去离子水、乙醇和丙酮中清洗10min～15min，并用氮气流吹干，然后将玻璃浸泡在70℃～85℃的(质量分数30％～35％H2O2、质量分数25％～28％NH4OH和H2O的体积比为1：1：3～1：1：5)(优选1：1：4～1：1：5，更优选1：1：4.5～1：1：5)溶液中2h～4h(优选2h～3h，更优选2h～2.5h)，使基材表面羟基官能化，最后将基材浸泡在1wt％～3wt％(优选1wt％～2wt％，更优选1wt％～1.5wt％)的3
‑
(三羟基硅基)
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丙烷磺酸甲醇溶液中(优选23h～25h，更优选23.5h～24.5h)，用负电荷官能化基材。所述步骤1中的温度环境的条件为：烘干温度为50℃～65℃(优选50℃～60℃，更优选53℃～56℃)，干燥时间为16h～22h(优选16h～20h，更优选16h～18h)，固化温度为100℃～120℃(优选105℃～110℃，更优选108℃～110℃)，固化时间为10min～30min(优选15min～30min，更优选25min～30min)所述步骤1中通过控制甘油的质量保持模板表面的湿润度时：每20ml水中加入的甘油质量为0.1g～0.4g。所述步骤2中的填充金属溶液的方法为：采用滴涂或浸渍的方法将金属氧化物的前驱体溶液均匀填充到光子晶体微球中间的孔隙中，其中每平方厘米基板表面上滴涂溶液的量为100μL～300μL(优选100μL～200μL，更优选100μL～150μL)；浸渍时需将每平方厘米的基板表面(按基板一侧表面记)浸泡在2mL～4mL(优选2mL～3mL，更优选2mL～2.5mL)的溶液中。所述步骤2中的去除模板微球的方法为：通过煅烧除去模板微球，煅烧的温度为400℃～600℃(优选400℃～550℃，更优选450℃～550℃)，煅烧时间为2h～4h(优选2h～3h，更优选2h～2.5h)。步骤2)中金属前驱体为四氯化锡、六水合硝酸锌、六水合三氯化铁、五水合硝酸铋和三水合硝酸铜中的一种或二种以上；金属前驱体溶液为含有所需金属离子的盐溶液，金属为锡、锌、铁、铋和铜中的一种或二种以上金属；制备二氧化锡反蛋白石时四氯化锡质量浓度范围为8％～9％(优选8％～8.5％，更优选8％～8.3％)；制备氧化锌反蛋白石时六水合硝酸锌的质量浓度范围为19％～20％(优选19.5％～19.7％，更优选19.5％～19.6％)；制备三氧化二铁反蛋白石时六水合三氯化铁的质量浓度范围为0.8％～1％(优选0.8％～0.95％，更优选0.8％～0.9％)；制备铋酸铜反蛋白石时三水合硝酸铜的质量浓度范围为0.2％～0.4％(优选0.2％～0.3％，更优选0.25％～0.3％)，五水合硝酸铋的质量浓度范围为1％～2％(优选1％～1.5％，更优选1～
1.2％)。金属前驱体溶液的溶剂为无水乙醇、质量分数为36％～38％的盐酸和质量分数为99.8％～100％乙酸中的一种或两种以上。本专利技术通过调整甘油的质量，可减少模板开裂现象的发生；在光子晶体模板的基础上，将金属前驱体溶液填充到模板孔隙中，去除模板微球，最终得到含有周期性排列孔的反蛋白石光子晶体薄膜。本专利技术可用于所有尺寸P本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种构筑三维有序的金属氧化物反蛋白石光子晶体薄膜的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：1)将聚苯乙烯微球与溶剂水混合，得混合溶液，并将基板竖直放在混合溶液中，于混合溶液中还添加有甘油，其中每20ml水中加入的甘油质量为0.1g～0.4g(优选0.2g～0.4g，更优选0.2g～0.3g)；在恒温条件下烘干溶剂并固化，通过竖直沉积自组装法利用弯月面处的毛细管力在基板上得到光子晶体模板；2)通过滴涂或浸渍的方式将金属前驱体溶液填充到光子晶体模板孔隙中，煅烧去除模板微球得到有序排列的反蛋白石光子晶体薄膜。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中采用的聚苯乙烯微球为粒径为A的聚苯乙烯微球，其粒径范围为200nm～800nm，所述粒径为A是指平均粒径A，粒径分布为A
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3至A+3(即粒径分布为平均粒径值A
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3nm)，优选粒径分布为A
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1至A+1(即粒径分布为平均粒径值A
±
1nm)，更优选粒径分布为A
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0.2至A+0.2(即粒径分布为平均粒径值A
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0.2nm)，最优选为相同粒径(即粒径分布为平均粒径值A
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0nm)；所述混合溶液中聚苯乙烯微球为水的0.1wt％～0.3wt％。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中的基板为FTO导电玻璃，首先将1cm
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1cm～1cm
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3cm的FTO导电玻璃依次在去离子水、乙醇和丙酮中分别清洗10min～15min，并用氮气流吹干，然后将基板浸泡在70℃～85℃(优选75℃～85℃，更优选80℃～85℃)的溶液(溶液组成：质量分数为30％～35％的H2O2、质量分数为25％～28％的NH4OH和H2O的体积比为1：1：3～1：1：5(优选1：1：4～1：1：5，更优选1：1：4.5～1：1：5)中2h～4h(优选2h～3h，更优选2h～2.5h)，使基材表面羟基官能化，最后将基材浸泡在1wt％～3wt％(优选1wt％～2wt％，更优选1wt％～1.5wt％)的3
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(三羟基硅基)
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丙烷磺酸甲醇溶液中22h～25h(优选23h～25h，更优选23.5h～24.5h)，用负电荷官能化基材。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中的恒温环境条件为...
【专利技术属性】
技术研发人员：李丰，刘国瑞，彭京，李晶，
申请(专利权)人：宁夏大学，
类型：发明
国别省市：
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