一种利用锂化法调节三维光子晶体带隙的方法
【专利摘要】一种利用锂化法调节三维光子晶体带隙的方法，本发明涉及一种调节三维光子晶体带隙的方法，它为了解决现有调节三维光子晶体带隙的方法调节范围较窄、精度低的问题。调节三维光子晶体带隙的方法：一、铜箔垂直放入PS微球乳液中进行培养，得到生长有PS胶体模板的铜箔；二、将GeCl4加入(EMIM)TF2N中，得到电解液；三、使用三电极的电解池，采用恒电势法进行电沉积锗，得到三维锗薄膜；四、在三电极体系中进行嵌锂和脱锂过程，从而调节三维光子晶体带隙。本发明通过控制电压的方向，使具有三维光子晶体结构的锗薄膜相应地发生嵌锂及脱锂过程，由于Ge体积膨胀大，因此该方法的调节范围非常大。
【专利说明】
一种利用锂化法调节三维光子晶体带隙的方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种调节三维光子晶体带隙的方法。
【背景技术】
[0002]光子晶体这一概念最早是由Yablonovitch和John提出的，其是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构，具有光子能隙。当光的频率位于光子带隙范围内时，光将被禁止传播。由于光子带隙的存在，光子晶体具有许多崭新的物理性质，成为当今世界的一个研究热点。
[0003]影响光子带隙的因素有两种:介质材料的介电常数比或折射率比和光子晶体的结构。因此，改变光子带隙一般也从这两方面考虑:一是改变折射率进行调制，二是改变光子晶体周期结构进行调制。因为改变光子晶体周期结构需要借助复杂的设备并且操作繁琐，所以本发明选择通过改变光子晶体折射率来改变其带隙。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了解决现有调节三维光子晶体带隙的方法的调节范围较窄、精度低的问题，而提供一种利用锂化法调节三维光子晶体带隙的方法。
[0005]本发明利用锂化法调节三维光子晶体带隙的方法按下列步骤实现:
[0006]—、将铜箔放入盐酸溶液中浸泡，再依次用丙酮、甲醇和超纯水超声清洗5?20min，得到清洗后的铜箔，然后以水为溶剂，配置体积分数为0.1 %?0.3 %的PS微球乳液，将清洗后的铜箔垂直放入PS微球乳液中，在50?70°C下恒温培养48?120h，得到生长有PS胶体模板的铜箔；
[0007]二、将离子液体(EMM)TF2N(1-甲基-3-乙基咪唑双三氟磺酸胺盐溶剂)放入手套箱中进行二次蒸馏，在H2O和O2含量均小于Ippm的条件下，将GeCl4加入(EMM)TF2P^，溶解摇匀后静置12?24h，得到摩尔浓度为0.0I?Imo I /L的电解液；
[0008]三、使用三电极的电解池，以铂环为对电极，银丝为参比电极，步骤一所述的生长有PS胶体模板的铜箔为工作电极，在步骤二得到的电解液中采用恒电势法，控制沉积电压为-1.5?-2V进行电沉积锗，然后取出工作电极，清洗，干燥后得到三维有序大孔锗(3D0MGe)薄膜(锗光子晶体)；
[0009]四、将步骤三得到的三维有序大孔锗薄膜作为工作电极，锂带作为参比电极和对电极，以LiPF6、EC(碳酸乙烯酯)、DEC(碳酸二乙酯)的混合液为电解液，在三电极体系中进行嵌锂和脱锂过程，从而调节三维光子晶体带隙。
[0010]本发明调节三维光子晶体光子带隙的原理是通过控制电压的方向，使具有三维光子晶体结构的锗薄膜相应地发生嵌锂及脱锂过程。锗在脱嵌锂过程中能够和电解液中的锂离子形成Li4.4Ge合金，使得锗材料发生很大的体积变化。因此，随着锂离子的嵌入和脱出，锗光子晶体体积膨胀，结构发生变化(孔径变小，孔壁变厚)，导致三维光子晶体的折射率发生变化，从而实现对三维光子晶体光子带隙的调节。并且由于Ge体积膨胀可达370%，理论嵌锂比容量较大(1600mAh g-Ι)，因此该调节三维光子晶体光子带隙的方法调节范围非常大。本发明的有益效果在于实现了对三维光子晶体带隙的调节，操作方法安全、简单，调节范围大、精度高，可连续调节。
【附图说明】
[0011]图1是实施例一得到的三维有序大孔锗(3D0MGe)薄膜在锂化前的扫描电镜图；
[0012]图2是实施例一得到的三维有序大孔锗(3D0MGe)薄膜在锂化后的扫描电镜图；
[0013]图3是三维有序大孔锗(3D0MGe)薄膜在锂化前(a)及锂化后(b)的反射光谱图。
【具体实施方式】
[0014]【具体实施方式】一:本实施方式利用锂化法调节三维光子晶体带隙的方法按下列步骤实施:
[0015]—、将铜箔放入盐酸溶液中浸泡，再依次用丙酮、甲醇和超纯水超声清洗5?20min，得到清洗后的铜箔，然后以水为溶剂，配置体积分数为0.1 %?0.3 %的PS微球乳液，将清洗后的铜箔垂直放入PS微球乳液中，在50?70°C下恒温培养48?120h，得到生长有PS胶体模板的铜箔；
[0016]二、将离子液体(EMM)TF2Nd-甲基-3-乙基咪唑双三氟磺酸胺盐溶剂)放入手套箱中进行二次蒸馏，在H2O和O2含量均小于Ippm的条件下，将GeCl4加入(EMM)TF2P^，溶解摇匀后静置12?24h，得到摩尔浓度为0.0I?Imo I /L的电解液；
[0017]三、使用三电极的电解池，以铂环为对电极，银丝为参比电极，步骤一所述的生长有PS胶体模板的铜箔为工作电极，在步骤二得到的电解液中采用恒电势法，控制沉积电压为-1.5?-2V进行电沉积锗，然后取出工作电极，清洗，干燥后得到三维有序大孔锗(3D0MGe)薄膜(锗光子晶体)；
[0018]四、将步骤三得到的三维有序大孔锗薄膜作为工作电极，锂带作为参比电极和对电极，以LiPF6、EC(碳酸乙烯酯)、DEC(碳酸二乙酯)的混合液为电解液，在三电极体系中进行嵌锂和脱锂过程，从而调节三维光子晶体带隙。
[0019]本实施方式首先采用垂直沉积法制备聚苯乙烯(PS)胶体模板，配置电解液后在铜箔上电沉积锗，得到三维有序大孔锗薄膜，最后在三电极体系中进行嵌锂和脱锂过程，对三维光子晶体的带隙进行调节。
[0020]锗基材料在锂化(嵌锂和脱锂)的过程中存在较大的体积膨胀，其体积膨胀可达370%。因此可以通过控制电压的方向，使具有三维光子晶体结构的锗发生锂化过程，使其晶体结构发生变化，导致三维光子晶体的折射率发生变化，从而实现对三维光子晶体光子带隙的调节。操作方法安全、简单，调节范围大、精度高，可连续调节。
[0021]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是步骤一将铜箔放入体积浓度为10%?30%的盐酸溶液中浸泡5?10s。其它步骤及参数与【具体实施方式】一相同。
[0022]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二不同的是步骤三在H2O和O2含量均小于Ippm的条件下，在步骤二得到的电解液中用恒电势法进行电沉积锗。其它步骤及参数与【具体实施方式】一或二相同。
[0023]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是步骤三中所述的清洗是使用异丙醇对工作电极表面进行清洗。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至三之一相同。
[0024]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一至四之一不同的是步骤三控制沉积电压为-1.5?-2V，沉积时间为10?30min。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至四之一相同。
[0025]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一至五之一不同的是步骤三得到的三维有序大孔锗(3D0M Ge)薄膜的厚度为0.5?5μπι。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至五之一相同。
[0026]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】一至六之一不同的是步骤四在H2O和O2含量均小于Ippm的条件下，将步骤三得到的三维有序大孔锗薄膜作为工作电极，锂带作为参比电极和对电极。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至六之一相同。
[0027]【具体实施方式】八:本实施方式与【具体实施方式】一至七之一不同的是步骤四所述的电解液中EC与DEC的体积比为1:0.5?1:2。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至七之一相同。
[0028]【具体实施方式】九:本实施方式与【具体实施方式】一至八之一不同的是步骤四在三电极体系中进行嵌锂的过程是采用循环伏安法负扫，扫描范围为O?2V，扫描速度为0.lmV/s。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至八之一相同。
[0029]【具体实施方式】十:本实施方式与【具体实施方式】一至八之一不同的是步骤四在三电极体系中进行脱锂的过程是采用循环伏安法正扫，扫描范围为O?2V，扫描速度为0.lmV/s。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至八之一相同。
[0030]实施例一:本实施例利用锂化法调节三维光子晶体带隙的方法按下列步骤实施:[0031 ] 一、将铜箔放入体积浓度为10%的盐酸溶液中浸泡5s，再依次用丙酮、甲醇和超纯水超声清洗5min，得到清洗后的铜箔，然后以水为溶剂，配置体积分数为0.2%的PS微球乳液，将清洗后的铜箔垂直放入PS微球乳液中，在60°C下恒温培养72h，得到生长有PS胶体模板的铜箔；
[0032]二、将离子液体1-甲基-3-乙基咪唑双三氟磺酸胺盐溶剂(EMM)TF2N放入手套箱中进行二次蒸馏，在H2O和O2含量均小于Ippm的条件下，将GeCl4加入(EMM)TF2P^，溶解摇匀后静置12h，得到摩尔浓度为0.1mo I/L的电解液；
[0033]三、使用三电极的电解池，以铂环为对电极，银丝为参比电极，步骤一所述的生长有PS胶体模板的铜箔为工作电极，在H2O和O2含量均小于Ippm的条件下，在步骤二得到的电解液中用恒电势法进行电沉积锗，在H2O和O2含量均小于Ippm的条件下，控制沉积电压为-
1.7V，沉积时间为20min，取出工作电极，清洗，干燥后得到三维有序大孔锗(3D0M Ge)薄膜(锗光子晶体)；
[0034]四、在H2O和O2含量均小于Ippm的条件下，将步骤三得到的3D0MGe锗薄膜作为工作电极，锂带作为参比电极和对电极，以LiPF6、EC(碳酸乙烯酯)、DEC(碳酸二乙酯)的混合液为电解液，在三电极体系中采用循环伏安法进行嵌锂和脱锂过程(扫描范围为O?2V，扫描速度为0.lmV/s，扫描先方向先负后正，即先嵌锂再脱锂)，从而调节三维光子晶体带隙；
[0035]其中步骤四的电解液中EC与DE C的体积比为1:1，其中电解液中L i PF 6的浓度为lmol/L0
[0036]图3的反射光谱图显示出不同孔径的3D0M Ge在脱嵌锂的过程中可实现带隙在近红外到可见波长范围内的调节，调节范围大、精度高。
【主权项】
1.一种利用锂化法调节三维光子晶体带隙的方法，其特征在于是按下列步骤实现: 一、将铜箔放入盐酸溶液中浸泡，再依次用丙酮、甲醇和超纯水超声清洗5?20min，得到清洗后的铜箔，然后以水为溶剂，配置体积分数为0.1%?0.3%的PS微球乳液，将清洗后的铜箔垂直放入PS微球乳液中，在50?70°C下恒温培养48?120h，得到生长有PS胶体模板的铜箔； 二、将离子液体(EMM)TF2N放入手套箱中进行二次蒸馏，在H2O和O2含量均小于Ippm的条件下，将GeCl4加入(EMHOTF2N中，溶解摇匀后静置12?24h，得到摩尔浓度为0.01?Imol/L的电解液； 三、使用三电极的电解池，以铂环为对电极，银丝为参比电极，步骤一所述的生长有PS胶体模板的铜箔为工作电极，在步骤二得到的电解液中用恒电势法进行电沉积锗，控制沉积电压为-1.5?-2V，沉积时间为10?30min，然后取出工作电极，清洗，干燥后得到三维有序大孔锗薄膜； 四、将步骤三得到的三维有序大孔锗薄膜作为工作电极，锂带作为参比电极和对电极，以LiPF6、EC、DEC的混合液为电解液，在三电极体系中进行嵌锂和脱锂过程，从而调节三维光子晶体带隙。2.根据权利要求1所述的一种利用锂化法调节三维光子晶体带隙的方法，其特征在于步骤一将铜箔放入体积浓度为10%?30%的盐酸溶液中浸泡5?10s。3.根据权利要求1所述的一种利用锂化法调节三维光子晶体带隙的方法，其特征在于步骤三在H2O和O2含量均小于Ippm的条件下，在步骤二得到的电解液中用恒电势法进行电沉积锗。4.根据权利要求1所述的一种利用锂化法调节三维光子晶体带隙的方法，其特征在于步骤三中所述的清洗是使用异丙醇对工作电极表面进行清洗。5.根据权利要求1所述的一种利用锂化法调节三维光子晶体带隙的方法，其特征在于步骤三控制沉积电压为-1.5?-2V，沉积时间为10?30min。6.根据权利要求1所述的一种利用锂化法调节三维光子晶体带隙的方法，其特征在于步骤三得到的三维有序大孔锗薄膜的厚度为0.5?5μπι。7.根据权利要求1所述的一种利用锂化法调节三维光子晶体带隙的方法，其特征在于步骤四在H2O和O2含量均小于Ippm的条件下，将步骤三得到的三维有序大孔锗薄膜作为工作电极，锂带作为参比电极和对电极。8.根据权利要求1所述的一种利用锂化法调节三维光子晶体带隙的方法，其特征在于步骤四所述的电解液中EC与DEC的体积比为1:0.5?1: 2。9.根据权利要求1所述的一种利用锂化法调节三维光子晶体带隙的方法，其特征在于步骤四在三电极体系中进行嵌锂的过程是采用循环伏安法负扫，扫描范围为O?2V，扫描速度为0.lmV/s。10.根据权利要求1所述的一种利用锂化法调节三维光子晶体带隙的方法，其特征在于步骤四在三电极体系中进行脱锂的过程是采用循环伏安法正扫，扫描范围为O?2V，扫描速度为0.lmV/s。
【文档编号】C25D5/02GK105908229SQ201610280254
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】赵九蓬, 曲慧颖, 李垚, 刘旭松, 迟彩霞
【申请人】哈尔滨工业大学