专利名称：非密堆蛋白石光子晶体的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种光子晶体的制备方法，特别涉及一种非密堆蛋白石光子晶体的制备方法。
背景技术：
光子晶体是一种折射率空间周期变化的新型光学微结构材料，光子对于人工周期性介电材料，即相当于电子对于半导体材料，因此得名。其中，单分散微球在某种介质中相互间以一定的空间间隔排列成周期排列的三维有序结构称为非紧密堆积光子晶体，这类光子晶体可提高光子晶体的调控性。制备非密堆光子晶体的方法主要包括微细加工法和自组装法，其中微细加工法可制备多样的光子晶体结构，但周期长、成本高；而自组装法所制备的结构较为单一，但其制备工艺设备简单、周期短、成本低。在自组装方法中，目前主要有三种方法(1)将单分散微球分散在可以聚合的高分子单体溶液中进行聚合而得，此法过程中聚合反应比较困难；( 在紧密堆积胶体晶体中灌注具有伸缩特性的弹性材料，再通过拉伸弹性材料从而将紧密堆积的胶体晶体转换为非紧密堆积胶体晶体结构，其存在可选择的伸缩性材料较少、灌注较困难的缺点；(3)将核壳结构进行自组装，之后将核或壳除去， 此法中制备出粒径分布窄的球形核壳颗粒是其难点。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种非密堆蛋白石光子晶体的制备方法，制备的非密堆蛋白石光子晶体排列完整、间隙可调，且生产工艺简单、周期短、所需设备简单。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是非密堆蛋白石光子晶体的制备方法，包括以下步骤第一步，以正硅酸乙酯为原料制备SW2纳米或亚微米球；第二步，将粒径比为Dsi02 D有机微球=5 8 1的两种球体颗粒按质量比为 Hlsi02 H^tttw=I 3 1分别进行称取，然后分别将两种球体颗粒超声分散于有机溶剂中，超声时间为2 池，将两悬浮液混合后继续超声2 池，得到混合悬浮液，其颗粒的质量分数为 2%，其中=Dsw2表示SW2的直径，0__3#表示有机微球的直径，mSi()2表示 SiO2的质量，表示有机微球的质量；第三步，将基底垂直浸入已放置平稳的混合悬浮液中，在40 50°C下真空干燥， 待溶液完全蒸发后，在基底表面生长出一层双尺寸光子晶体；第四步，将双尺寸光子晶体煅烧4 他，煅烧温度为所用有机微球的燃烧分解温度，即得非密堆蛋白石光子晶体。其中，所述第一步制备SiA纳米或亚微米球按照以下步骤实现首先，将正硅酸乙酯溶于a体积份的无水乙醇配置成溶液A ；
其次，将正硅酸乙酯体积1 5倍的质量浓度为25% 氨水溶于b体积份的无水乙醇配置成溶液B，a b = 1 1 2 ；然后，将溶液A置于磁力搅拌设备中，在不停搅拌下将溶液B加入溶液A中，混合液中正硅酸乙酯的浓度为0. 4 0. 6mol/L,反应2 后，分离沉淀，离心洗涤后于50 60°C 干燥，得到SiO2纳米或亚微米球。所述第二步中有机微球的分解燃烧温度低于500°C，可以选择聚苯乙烯、聚氨酯、 聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯或者聚苯乙烯丙烯酸羟乙酯等。所述第二步中有机溶剂为乙醇、甲醇、丙酮、乙腈或者异丙醇等。所述第三步中基底为载玻片、ITO玻璃或者硅片以及其它能承受煅烧温度的基底材料。所述第三步中基底在浸入混合悬浮液之前，先依次用质量浓度为 2%的氢氟酸，体积比为7 3的浓硫酸-双氧水混合溶液，以及质量浓度为 2%的氢氧化钠溶液各超声清洗15min，用去离子水冲洗后在红外灯下烘干备用。与现有技术相比，本发明的优点是(1)本方法制备的非密堆蛋白石光子晶体周期性排列完整，且其周期性排列的间隙可调，通常用密堆积光子晶体刻蚀来获得非密堆蛋白石结构，但是刻蚀紧密堆积的单尺寸光子晶体时，其中的胶体球的形貌易被破坏，且容易造成排列的破坏，本方法采用两种胶体颗粒，其中有机颗粒的配比可控制二氧化硅颗粒的间隙，有机颗粒是通过煅烧去除的，对二氧化硅颗粒不造成损坏，且通常在300 500°C这个有机物煅烧去除的温度区间内，会使二氧化硅胶体晶体的排列更加紧密。(2)生产工艺简单，设备简单，操作简便，制备周期较短，产率较高，目前，如果利用对密堆结构刻蚀技术来制备非密堆结构易损坏胶体排列，而利用微细加工来制备非密堆结构，虽然其精密度高，制备周期排列好，但是制备的非密堆结构光子晶体周期长、也不能如自组装法一样大面积地制备，而本工艺不仅可如利用自组装法中周期短、可大面积制备的优点，而且由于利用的是双尺寸光子晶体，没有刻蚀带来的损坏，因此产率高，同时工艺控制稳定。(3) SiO2球体颗粒和有机微球为单独制备，不存在反应中的相互影响，也不存在如灌注伸缩特性的弹性材料的制备方法中灌注的困难。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。实施例一非密堆蛋白石光子晶体的制备方法，包括以下步骤第一步，先将正硅酸乙酯溶于a体积份的无水乙醇配置成溶液A，再将正硅酸乙酯体积5倍的质量浓度为25%的氨水溶于b体积份的无水乙醇配置成溶液B，a b=l 1， 然后，将溶液A置于磁力搅拌设备中，在不停搅拌下将溶液B加入溶液A中，混合液中正硅酸乙酯的浓度为0. 4mol/L,反应2 后，分离沉淀，离心洗涤后于50°C干燥，得到SW2纳米或亚微米球；第二步，将粒径比为DSiQ2 D有机微球=5 1的两种球体颗粒按质量比为mSiQ2 mM3*= 3 1分别进行称取，然后分别将两种球体颗粒超声分散于乙醇中，超声时间为2h， 将两悬浮液混合后继续超声池，得到混合悬浮液，其颗粒的质量分数为1%，其中有机微球选择聚苯乙烯；第三步，将载玻片依次用质量浓度为的氢氟酸，体积比为7 3的浓硫酸-双氧水混合溶液，以及质量浓度为的氢氧化钠溶液各超声清洗15min，用去离子水冲洗后在红外灯下烘干备用，然后将载玻片垂直浸入已放置平稳的混合悬浮液中，在50°C下真空干燥，待溶液完全蒸发后，在载玻片表面生长出一层双尺寸光子晶体；第四步，将双尺寸光子晶体在450°C温度下煅烧6h，即获得非密堆蛋白石光子晶体。实施例二 非密堆蛋白石光子晶体的制备方法，包括以下步骤第一步，先将正硅酸乙酯溶于a体积份的无水乙醇配置成溶液A，再将正硅酸乙酯等体积的质量浓度为的氨水溶于b体积份的无水乙醇配置成溶液B，a b = l 2， 然后，将溶液A置于磁力搅拌设备中，在不停搅拌下将溶液B加入溶液A中，混合液中正硅酸乙酯的浓度为0. 6mol/L,反应2 后，分离沉淀，离心洗涤后于60°C干燥，得到SW2纳米或亚微米球；第二步，将粒径比为Dsi02 D有机微球=8 1的两种球体颗粒按质量比为mSi02 m ^mm= 1 1分别进行称取，然后分别将两种球体颗粒超声分散于甲醇中，超声时间为池， 将两悬浮液混合后继续超声池，得到混合悬浮液，其颗粒的质量分数为1%，其中有机微球选择聚氨酯；第三步，将ITO玻璃依次用质量浓度为1.5%的氢氟酸，体积比为7 3的浓硫酸-双氧水混合溶液，以及质量浓度为1. 5%的氢氧化钠溶液各超声清洗15min，用去离子水冲洗后在红外灯下烘干备用，然后将ITO玻璃垂直浸入已放置平稳的混合悬浮液中，在 50°C下真空干燥，待溶液完全蒸发后，在ITO玻璃表面生长出一层双尺寸光子晶体；第四步，将双尺寸光子晶体在400°C温度下煅烧4h，即获得非密堆蛋白石光子晶体。实施例三非密堆蛋白石光子晶体的制备方法，包括以下步骤第一步，先将正硅酸乙酯溶于a体积份的无水乙醇配置成溶液A，再将正硅酸乙酯体积4倍的质量浓度为25%的氨水溶于b体积份的无水乙醇配置成溶液B，a b = 1 1.5，然后，将溶液A置于磁力搅拌设备中，在不停搅拌下将溶液B加入溶液A中，混合液中正硅酸乙酯的浓度为0. 5mol/L，反应2 后，分离沉淀，离心洗涤后于50°C干燥，得到 SiO2纳米或亚微米球；第二步，将粒径比为Dsi02 Ommm= 6 1的两种球体颗粒按质量比为mSi02 m ^mm= 2 1分别进行称取，然后分别将两种球体颗粒超声分散于丙酮中，超声时间为》1， 将两悬浮液混合后继续超声池，得到混合悬浮液，其颗粒的质量分数为1%，其中有机微球选择聚甲基丙烯酸甲酯；第三步，将硅片依次用质量浓度为2%的氢氟酸，体积比为7 3的浓硫酸-双氧水混合溶液，以及质量浓度为2%的氢氧化钠溶液各超声清洗15min，用去离子水冲洗后在
7红外灯下烘干备用，然后将硅片垂直浸入已放置平稳的混合悬浮液中，在50°C下真空干燥， 待溶液完全蒸发后，在硅片表面生长出一层双尺寸光子晶体；第四步，将双尺寸光子晶体在450°C温度下煅烧6h，即获得非密堆蛋白石光子晶体。实施例四非密堆蛋白石光子晶体的制备方法，包括以下步骤第一步，先将正硅酸乙酯溶于a体积份的无水乙醇配置成溶液A，再将正硅酸乙酯体积2倍的质量浓度为观％的氨水溶于b体积份的无水乙醇配置成溶液B，a b=l 2， 然后，将溶液A置于磁力搅拌设备中，在不停搅拌下将溶液B加入溶液A中，混合液中正硅酸乙酯的浓度为0. 5mol/L,反应2 后，分离沉淀，离心洗涤后于55°C干燥，得到SW2纳米或亚微米球；第二步，将粒径比为DSiQ2 D有机微球=6 1的两种球体颗粒按质量比为mSiQ2 m ^mm= 3 1分别进行称取，然后分别将两种球体颗粒超声分散于丙酮中，超声时间为2h， 将两悬浮液混合后继续超声池，得到混合悬浮液，其颗粒的质量分数为1. 5%，其中有机微球选择聚甲基丙烯酸羟乙酯；第三步，将载玻片依次用质量浓度为的氢氟酸，体积比为7 3的浓硫酸-双氧水混合溶液，以及质量浓度为的氢氧化钠溶液各超声清洗15min，用去离子水冲洗后在红外灯下烘干备用，然后将载玻片垂直浸入已放置平稳的混合悬浮液中，在45°C下真空干燥，待溶液完全蒸发后，在载玻片表面生长出一层双尺寸光子晶体；第四步，将双尺寸光子晶体在500°C温度下煅烧5h，即获得非密堆蛋白石光子晶体。以上各个实施例中，有机微球还可以有其他的多种选择，但是作为一个原则，选择的有机微球其分解燃烧温度要低于500°C ；同样的，球体颗粒超声分散用的有机溶剂，也可以有多种选择，例如还可以是乙腈或者异丙醇；各个实施例中，基底都可以为载玻片、ITO 玻璃或者硅片等其它的能够承受最终煅烧温度的载体。
权利要求
1.非密堆蛋白石光子晶体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤第一步，以正硅酸乙酯为原料制备SW2纳米或亚微米球；第二步，将粒径比为DsiQ2 D有机微球=5 8 1的两种球体颗粒按质量比为mSiQ2 m Itttw=I 3 1分别进行称取，然后分别将两种球体颗粒超声分散于有机溶剂中，超声时间为2 池，将两悬浮液混合后继续超声2 池，得到混合悬浮液，其颗粒的质量分数为 1 % 2%，其中DSiQ2表示SiO2的直径，Dwmw表示有机微球的直径，mSiQ2表示SW2的质量， 表示有机微球的质量；第三步，将基底垂直浸入已放置平稳的混合悬浮液中，在40 50°C下真空干燥，待溶液完全蒸发后，在基底表面生长出一层双尺寸光子晶体；第四步，将双尺寸光子晶体煅烧4 他，煅烧温度为所用有机微球的燃烧分解温度，即得非密堆蛋白石光子晶体。
2.根据权利要求1所述的非密堆蛋白石光子晶体的制备方法，其特征在于，所述第一步制备S^2纳米或亚微米球按照以下步骤实现首先，将正硅酸乙酯溶于a体积份的无水乙醇配置成溶液A ；其次，将正硅酸乙酯体积1 5倍的质量浓度为25% 的氨水溶于b体积份的无水乙醇配置成溶液B，a b = 1 1 2 ；然后，将溶液A置于磁力搅拌设备中，在不停搅拌下将溶液B加入溶液A中，混合液中正硅酸乙酯的浓度为0. 4 0. 6mol/L,反应2 后，分离沉淀，离心洗涤后于50 60°C干燥，得到SW2纳米或亚微米球。
3.根据权利要求1所述的非密堆蛋白石光子晶体的制备方法，其特征在于，所述第二步中有机微球的分解燃烧温度低于500°C。
4.根据权利要求1所述的非密堆蛋白石光子晶体的制备方法，其特征在于，所述第二步中有机微球为聚苯乙烯、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯或者聚苯乙烯丙烯酸羟乙酯。
5.根据权利要求1所述的非密堆蛋白石光子晶体的制备方法，其特征在于，所述第二步中有机溶剂为乙醇、甲醇、丙酮、乙腈或者异丙醇。
6.根据权利要求1所述的非密堆蛋白石光子晶体的制备方法，其特征在于，所述第三步中基底为载玻片、ITO玻璃或者硅片。
7.根据权利要求1所述的非密堆蛋白石光子晶体的制备方法，其特征在于，所述第三步中基底在浸入混合悬浮液之前，先依次用质量浓度为 2%的氢氟酸，体积比为7 3 的浓硫酸-双氧水混合溶液，以及质量浓度为 2%的氢氧化钠溶液各超声清洗15min， 用去离子水冲洗后在红外灯下烘干备用。
8.非密堆蛋白石光子晶体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤第一步，先将正硅酸乙酯溶于a体积份的无水乙醇配置成溶液A，再将正硅酸乙酯体积 5倍的质量浓度为25%的氨水溶于b体积份的无水乙醇配置成溶液B，a b = l 1，然后，将溶液A置于磁力搅拌设备中，在不停搅拌下将溶液B加入溶液A中，混合液中正硅酸乙酯的浓度为0. 4mol/L,反应2 后，分离沉淀，离心洗涤后于50°C干燥，得到SiO2纳米或亚微米球；第二步，将粒径比为DSiQ2 D有机微球=5 1的两种球体颗粒按质量比为mSiQ2 m有机微球=3 1分别进行称取，然后分别将两种球体颗粒超声分散于乙醇中，超声时间为池，将两悬浮液混合后继续超声池，得到混合悬浮液，其颗粒的质量分数为1%，其中DSiQ2表示SiA 的直径，D.^^^表示有机微球的直径，mSi02表示SiA的质量，表示有机微球的质量， 有机微球为聚苯乙烯、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯或者聚苯乙烯丙烯酸羟乙酯；第三步，将基底依次用质量浓度为的氢氟酸，体积比为7 3的浓硫酸-双氧水混合溶液，以及质量浓度为的氢氧化钠溶液各超声清洗15min，用去离子水冲洗后在红外灯下烘干备用，然后将基底垂直浸入已放置平稳的混合悬浮液中，在50°C下真空干燥，待溶液完全蒸发后，在基底表面生长出一层双尺寸光子晶体，所述基底为载玻片、ITO玻璃或者娃片；第四步，将双尺寸光子晶体煅烧4 他，煅烧温度为所用有机微球的燃烧分解温度，即得非密堆蛋白石光子晶体。
9.非密堆蛋白石光子晶体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤第一步，先将正硅酸乙酯溶于a体积份的无水乙醇配置成溶液A，再将正硅酸乙酯等体积的质量浓度为观％的氨水溶于b体积份的无水乙醇配置成溶液B，a b = 1 2，然后， 将溶液A置于磁力搅拌设备中，在不停搅拌下将溶液B加入溶液A中，混合液中正硅酸乙酯的浓度为0. 6mol/L,反应2 后，分离沉淀，离心洗涤后于60°C干燥，得到SW2纳米或亚微米球；第二步，将粒径比为DSiQ2 D有机微球=8 1的两种球体颗粒按质量比为mSiQ2 m有机微球 =1 1分别进行称取，然后分别将两种球体颗粒超声分散于甲醇中，超声时间为池，将两悬浮液混合后继续超声池，得到混合悬浮液，其颗粒的质量分数为1%，其中DSiQ2表示SiA 的直径，D.^^^表示有机微球的直径，mSi02表示SiA的质量，表示有机微球的质量， 有机微球为聚苯乙烯、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯或者聚苯乙烯丙烯酸羟乙酯；第三步，将基底依次用质量浓度为1.5%的氢氟酸，体积比为7 3的浓硫酸-双氧水混合溶液，以及质量浓度为1. 5%的氢氧化钠溶液各超声清洗15min，用去离子水冲洗后在红外灯下烘干备用，然后将基底垂直浸入已放置平稳的混合悬浮液中，在50°C下真空干燥， 待溶液完全蒸发后，在载玻片表面生长出一层双尺寸光子晶体，所述基底为载玻片、ITO玻璃或者硅片；第四步，将双尺寸光子晶体煅烧4 他，煅烧温度为所用有机微球的燃烧分解温度，即得非密堆蛋白石光子晶体。
10.非密堆蛋白石光子晶体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤第一步，先将正硅酸乙酯溶于a体积份的无水乙醇配置成溶液A，再将正硅酸乙酯体积 3倍的质量浓度为25%的氨水溶于b体积份的无水乙醇配置成溶液B，a b = 1 1.5， 然后，将溶液A置于磁力搅拌设备中，在不停搅拌下将溶液B加入溶液A中，混合液中正硅酸乙酯的浓度为0. 5mol/L,反应2 后，分离沉淀，离心洗涤后于50°C干燥，得到SW2纳米或亚微米球；第二步，将粒径比为DSiQ2 D有机微球=6 1的两种球体颗粒按质量比为mSiQ2 m有机微球 =2 1分别进行称取，然后分别将两种球体颗粒超声分散于丙酮中，超声时间为池，将两悬浮液混合后继续超声池，得到混合悬浮液，其颗粒的质量分数为1%，其中DSiQ2表示SW2 的直径，D.^^^表示有机微球的直径，mSi02表示S^2的质量，表示有机微球的质量， 有机微球为聚苯乙烯、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯或者聚苯乙烯丙烯酸羟乙酯；第三步，将基底依次用质量浓度为2%的氢氟酸，体积比为7 3的浓硫酸-双氧水混合溶液，以及质量浓度为2%的氢氧化钠溶液各超声清洗15min，用去离子水冲洗后在红外灯下烘干备用，然后将基底垂直浸入已放置平稳的混合悬浮液中，在50°C下真空干燥，待溶液完全蒸发后，在载玻片表面生长出一层双尺寸光子晶体，所述基底为载玻片、ITO玻璃或者娃片；第四步，将双尺寸光子晶体煅烧4 他，煅烧温度为所用有机微球的燃烧分解温度，即得非密堆蛋白石光子晶体。
全文摘要
一种非密堆蛋白石光子晶体的制备方法，先以正硅酸乙酯为原料制备SiO2球体颗粒，将大尺寸SiO2球体颗粒与小尺寸有机颗粒经超声、垂直沉积后获得双尺寸胶体晶体结构，再将所得异质双尺寸胶体晶体结构在有机颗粒的燃烧分解温度下煅烧以除去有机物，即获得非密堆蛋白石光子晶体，本发明方法设备简单，操作简便，制备周期较短，产率较高。
文档编号C30B29/00GK102304761SQ20111024265
公开日2012年1月4日 申请日期2011年8月23日 优先权日2011年8月23日
发明者伍媛婷, 王秀峰 申请人:陕西科技大学