一种α-Fe₂O₃/Si孔状光子晶体及其制备方法和应用的制作方法

专利名称：一种α-Fe₂O₃/Si孔状光子晶体及其制备方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明属于光电子材料、半导体材料与器件技术领域，具体涉及一种α -Fe203/Si 孔状光子晶体及其制备方法和应用。
背景技术：
二维周期性纳米结构由于具有大面积的周期性的材料排列和较一般材料更大的 表面积，因此近年来在催化、传感、光子晶体、电池技术、拉曼光谱增强(SERS)等方面引起了 很大的关注。近年来，人们利用各种方法，例如光刻、微接触、自组装等，制备得到了多种二 维周期性结构。然而在这些方法中，光刻面临着光学系统的衍射误差问题，导致成品质量不 高，并且其制备过程效率低，成本高，并且只能对特定的材料进行光刻，限制了其广泛应用； 而微接触法由于需要先制备模板，然后再通过物理方法复制得到最终所需要的材料，有时 候需要三个甚至更多的步骤，所以在此过程中难免会有偏差。而自组装法的成本低，最终产 物的选择也比较广泛，已经可以覆盖多种金属及半导体，因此越来越受到研究者的青睐。另 外，在这些制备的材料中，大多数研究都关注其在传感、催化等上述各种方面的应用，很少 有关注光学性质，尤其是光学衍射性质的应用。事实上，根据先前的研究，光在光子晶体中 的传播与在普通介质中的传播是有很大不同的，例如光子晶体存在光学禁带，能够阻止部 分频率的光子通过；光子晶体还可以通过缺陷来改变光的传播方向。因此，光子晶体的光学 衍射性能也与普通介质有所不同，之前也有对此的报道，但均未深入进行研究。本发明克服了现有技术中的成本偏高、制备过程复杂且不易控制、产物的种类有 限等缺陷，提供了一种a-Fe3203/Si孔状光子晶体及其制备方法，具有成本低、制备过程简 单可控、产物的种类范围广的有益效果。本发明的a-Fe3203/Si孔状光子晶体，由α _狗203 材料六角形周期性排列在Si衬底上而成的a -Fe203/Si复合结构，其制备中采用了自组装 和溶液滴定的方法，在大气压强和没有催化剂的条件下，在硅片衬底上得到大面积这种结 构。本发明a-Fe203/Si孔状光子晶体可在实际光学衍射中应用，其具有与普通光栅不同的 衍射性能。。本发明通过选择恰当的材料，对介电常数进行调整，从而构造二维光子晶体，对 其光学性能进行研究，以进一步推动其在光学方面的应用。

发明内容
本发明提供了一种a -Fe203/Si孔状光子晶体，其特征在于，包括a -Fe2O3材料和 Si衬底；其中，所述a -Fe2O3材料呈六角形格点周期性排列在所述Si衬底上，所述a -Fe2O3 材料的孔径为200 nm - 800 nm，其厚度为100-200nm，所述a-Fe2O3材料覆盖所述Si衬 底总面积的25-35%。本发明还提供了一种所述a -Fe203/Si孔状光子晶体的制备方法，其特征在于，依 次包括以下步骤
a)将所述Si衬底超声清洗，然后在500-55(TC下加热；
b)取PS单分散微球滴于所述Si衬底上，将其静置于空气中，直到所述PS单分散微球自组装成为六角形周期性的模板；
c)将10-20μ L Fe (NO3)3溶液滴于步骤b)中组装好的模板上；
d)经110°C下烘干后，再在高温下加热，去除PS单分散微球，得到所述a-Fe3203/Si孔 状光子晶体。本发明所述α -Fe203/Si孔状光子晶体的制备方法，其特征在于，所述步骤d)中的 高温加热是在450-550°C下进行。本发明所述α -Fe203/Si孔状光子晶体的制备方法，其进一步特征在于，将步骤d) 所得到的α "Fe203/Si孔状光子晶体在超声中清洗。本发明提供了一种所述α "Fe203/Si孔状光子晶体在光学衍射中的应用，其特征 在于，将一束聚焦的光波沿垂直于所述a-Fe203/Si孔状光子晶体平面的方向入射至其表 面，衍射的图样为六角形；光波的衍射点之间的距离与光屏到所述a "Fe203/Si孔状光子晶 体之间的距离之比值与所述光波波长成正比，与所述a -Fe203/Si孔状光子晶体的周期性 大小成反比。本发明提供了一种a-Fe203/Si孔状光子晶体及其制备方法。本发明所提供的周 期性的a-Fe203/Si孔状光子晶体结构，在国际上是首次报道，这种光子晶体是由Ci-Fe2O3 和Si两种材料交替组成，其中a -Fe2O3材料呈六角形格点周期性排列，孔径大小一般在 约200 nm - 800 nm范围，厚度约为100-200 nm，覆盖Si衬底的面积大约占总面积的 25%-35%。本发明a -Fe203/Si孔状光子晶体的制备方法包括以下步骤
1.将硅衬底超声清洗30分钟，然后在500-550°C下加热2小时，以达到提高表面亲水 性的效果。2.将事先准备好的一定浓度的PS (聚苯乙烯)单分散微球(直径可按需要控制) 取少量滴于衬底上，将衬底静止置于空气中一段时间，避免一切扰动，PS微球将会随着水分 的蒸发而自动地自组装成为六角形周期性的模板。3.将10-20 μ L左右的狗(NO3) 3溶液用移液枪滴于已经组装好的模板上，由于毛 细力的作用，溶液将会渗入PS微球之间的空隙中。由于PS微球的密度小于狗(NO3) 3溶液， PS模板将会漂浮于溶液之上。4.在110°C下烘干2小时，使Fe (NO3)3溶液中的水分挥发。5.在450_550°C下加热3小时，使佝(吣3)3前驱液转变为固态的a-!^e2O3，同时PS 微球在此高温下被烧去，形成需要的周期性孔状纳米结构。最终在超声中清洗30 min，得到 本发明a -Fe203/Si孔状光子晶体，a -Fe2O3在Si片上呈现为一层红褐色物质。本发明通过对自组装法和溶液滴定法中一些参量的控制，合成了周期性的 a -Fe203/Si孔状光子晶体。相对于以前报道的合成的类似的光子晶体结构，本发明的突出特点是(1)生长 方法成本低，制备快速、安全，对设备要求低；(2)采用a-Fe2O3与Si两种材料交替的光子 晶体，构成弱调制；(3)生长过程不需要额外的气氛和压力等，无毒无害，重复性好，生长面 积较大。本发明a -Fe203/Si孔状光子晶体的具体应用过程如下
将一束聚焦的光波沿垂直于本发明a "Fe203/Si孔状光子晶体平面的方向入射至其表面，衍射的图样为六角形。光波的衍射点之间的距离与光屏到a_Fe203/Si孔状光子晶体之 间的距离成正比。光波的衍射点之间的距离与光屏到所述α "Fe203/Si孔状光子晶体之间 的距离之比值与光波波长成一致的变化趋势，与a-Fe203/Si孔状光子晶体的周期性大小 成相反的变化趋势。


图1是本发明α -Fe203/Si孔状光子晶体的结构示意图。图2是本发明α-FeA/Si孔状光子晶体的制备过程示意图；其中，(a)表示自 组装；(b)表示滴定后；(c)表示烘干后；(d)表示经过高温烘烤及清洗后得到本发明 α -Fe203/Si孔状光子晶体。图3是本发明α -Fe203/Si孔状光子晶体的X射线衍射图。图4是本发明α -Fe203/Si孔状光子晶体在直径为800 nm时的SEM照片，插图是 α -FeA/Si孔状光子晶体放大倍数的AFM照片。
具体实施例方式结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的保护内容 不局限于以下实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变 化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。如图1所示，本发明α -Fe203/Si孔状光子晶体的结构自上往下依次是α -Fe2O3材 料和Si衬底；其中，α -Fe2O3材料呈六角形格点周期性排列在Si衬底上，α -Fe2O3材料的 孔径为470 nm，其厚度约为200nm，α -Fe2O3材料覆盖Si衬底总面积的30%。本发明中，α-Fe2O3材料的孔径可以为200 nm - 800 nm，其厚度可以约为 100-200nm, α -Fe2O3材料可以覆盖Si衬底总面积的25_35%。如图2所示，1表示PS单分散微球，2表示Si衬底，3表示！^ (NO3) 3溶液，4表示 Fe2O3 ο实施例1 α -Fe203/Si孔状光子晶体的制备
1.将硅衬底超声清洗30分钟，然后在500-550°C下加热2小时，以达到提高表面亲水 性的效果；图2(a)中的2表示Si衬底。2.将事先准备好的10 μ L、10%质量分数、直径为470 nm的PS单分散微球滴于衬 底上，将衬底静止置于空气中一天时间，避免一切扰动。可观察到PS微球将会随着水分的 蒸发而自动地自组装成为六角形周期性的模板，水分蒸发过程结束时即为PS微球的自组 装基本完成。PS微球的排列方式的横截面如图2中的(a)所示，其中1表示PS单分散微 球。3.将10-20 μ L左右的Fe (NO3) 3溶液用移液枪滴于已经组装好的模板上，由于毛 细力的作用，溶液将会渗入PS微球之间的空隙中，如图2中的(b)所示；由于PS微球的密 度小于!^e (NO3) 3溶液，PS模板将会漂浮于！^ (NO3) 3溶液之上，图中的3表示!^e (NO3) 3溶液。4.在110°C下烘干2小时，使狗(而3)3溶液中的水分挥发，如图2中的(c)所示。5.在450-550°C下加热3小时，使佝(而3)3前驱液转变为固态的a-Fi5203，同时 PS微球在此高温下被烧去，形成需要的周期性孔状纳米结构。在超声中清洗30 min，最终得到本发明α-FeA/Si孔状光子晶体，如图2中的(d)所示4表示α-狗203，其在Si片上 呈现为一层红褐色物质。实施例2 α -Fe203/Si孔状光子晶体的衍射应用
本发明α "Fe203/Si孔状光子晶体的制备方法，以聚苯乙烯(PS)小球为模板，以Si为 衬底，Fe (NO3)3溶液为前驱液，采用溶液滴定法生长α-Fe2O3孔状周期性纳米结构。利用这 种方法生长的Q-Fe52O3孔状周期性纳米结构由六角形排列的圆形纳米孔组成，其XRD图如 图3所示，低倍SEM和高倍AFM图如图4所示。从图3中可见，衍射峰的位置与α -Fe2O3的 XRD标准卡上的峰相对应，证实产物确实为α -Fe2O3 ；从图4中可见，纳米孔直径在200-800 nm之间，孔壁高度为200 nm，孔壁部分(图4中颜色较浅部分)覆盖Si衬底(图4中颜色较 深部分)的面积大约占总面积的25-35%。由SEM图可以看出，它们排列紧密，整齐无缺陷， 具有很好的周期性，从AFM图可以看出，圆孔的边缘呈规则的正圆形。本发明可以实现在硅 衬底上大面积周期性地生长，生成的材料在常温下稳定性好，耐高温，抗氧化。该Ci-Fe52O3 材料与Si衬底恰好构成一种光子晶体，经过理论计算可得，它具有特殊的光学衍射性能， 对周期性材料的研究具有巨大的价值，并且在新一代显示器件方面有着广阔的应用前景。将本发明α -Fe203/Si孔状光子晶体进行实际光学衍射应用时，将一束聚焦的光 波沿垂直于本发明a-Fe203/Si孔状光子晶体平面的方向入射至其表面，衍射的图样为六 角形。光波的衍射点之间的距离与光屏到a_Fe203/Si孔状光子晶体之间的距离之比值与 光波波长成正比，两者呈一致的变化趋势；光波的衍射点之间的距离与光屏到a-Fe203/Si 孔状光子晶体之间的距离之比值与a-Fe203/Si孔状光子晶体的周期性大小成反比，两者 呈相反的变化趋势。本实施例中，采用晶体周期性a大小不同的本发明a-F%03/Si孔状光子晶体，在 不同光波波长λ的光波下，分别进行了三组衍射实验。将光波沿垂直于a-Fe203/Si孔状 光子晶体平面的方向入射至其表面，衍射的图样为六角形。本实施例得到a-Fe203/Si孔状 光子晶体的周期性大小a、光波波长λ、衍射点之间的距离r与光屏到光子晶体之间的距离 d之比(r/d)三者之间的数值关系，如下表1所示
权利要求
1.一种α -Fe203/Si孔状光子晶体，其特征在于，包括α -Fe2O3材料和Si衬底；其中， 所述α-Fe2O3材料呈六角形格点周期性排列在所述Si衬底上，所述α-Fe2O3材料的孔径 为200 nm - 800 nm，其厚度为100-200nm，所述α-Fe2O3材料覆盖所述Si衬底总面积的 25-35%ο
2.如权利要求1所述α-Fe203/Si孔状光子晶体的制备方法，其特征在于，依次包括以 下步骤a)将所述Si衬底超声清洗，然后在500-55(TC下加热；b)取PS单分散微球滴于所述Si衬底上，将其静置于空气中，直到所述PS单分散微球 自组装成为六角形周期性的模板；c)将10-20μ L Fe (NO3)3溶液滴于步骤b)中组装好的模板上；d)经110°C下烘干后，再在高温下加热，去除PS单分散微球，得到所述a-Fe3203/Si孔 状光子晶体。
3.如权利要求2所述α_Fe203/Si孔状光子晶体的制备方法，其特征在于，所述步骤d) 中的高温加热是在450-550°C下进行。
4.如权利要求2所述α-Fe203/Si孔状光子晶体的制备方法，其进一步特征在于，将步 骤d)所得到的α -Fe203/Si孔状光子晶体进行超声清洗。
5.如权利要求1所述α-Fe203/Si孔状光子晶体在光学衍射中的应用，其特征在于，将 一束聚焦的光波沿垂直于所述a-Fe203/Si孔状光子晶体平面的方向入射至其表面，衍射 的图样为六角形；光波的衍射点之间的距离与光屏到所述a-Fe203/Si孔状光子晶体之间 的距离之比值与所述光波波长成正比，与所述Ci-Fe52CVSi孔状光子晶体的周期性大小成 反比。
全文摘要
本发明提供了一种α-Fe2O3/Si孔状光子晶体，包括α-Fe2O3材料和Si衬底，其中，α-Fe2O3材料呈六角形格点周期性排列在Si衬底上。本发明还提供了所述α-Fe2O3/Si孔状光子晶体的制备方法及其光学衍射应用。本发明通过选择恰当的材料，对介电常数进行调整，从而构造二维光子晶体，成本低，制备快速且安全。
文档编号G02B27/42GK102116899SQ20111005117
公开日2011年7月6日 申请日期2011年3月3日 优先权日2011年3月3日
发明者娄蕾, 尹海宏, 张正犁, 朱自强, 郁可 申请人:华东师范大学