[發明專利]一種具有反蛋白石結構的光子晶體的制備方法

有效

• 申請號: 201310251198.6
• 申請日: 2013-06-23
• 公開（公告）號: CN103352255A
• 公開（公告）日: 2013-10-16
• 發明（設計）人: 閆東偉;武英;周少雄
• 申請（專利權）人: 安泰科技股份有限公司
• 主分類號: C30B29/58
• 分類號: C30B29/58
• 代理公司: 北京華誼知識產權代理有限公司 11207
• 代理人: 劉月娥

技術領域

本發明屬于反蛋白石結構光子晶體技術領域，特別是提供了一種具有反蛋白石結構的光子晶體的制備方法，能夠制備大面積、無缺陷的反蛋白石結構的光子晶體。

背景技術

光子晶體是由不同介電常數的介質材料在空間呈周期排列的結構。類似于電子在半導體晶體中的行為，當光子在光子晶體中傳播時，與介質周期排布同量級的電磁波受到周期性排列的非均勻介質相對較強的散射，使得該波長范圍內的電子波禁止在光子晶體傳播而產生光子帶隙。此外，光子晶體還具有抑制自發輻射、光子局限等特性。相對電子而言，光子在傳播速度、信息容量、抗干擾、效率、響應能力、能量損耗、互連和并行能力等方面的性能都遠遠的超過了電子。光子晶體的出現使信息處理技術的“全光子化”和光子技術的微型化與集成化成為可能，它可能在不久的將來導致信息技術的又一次革命。

根據電介質在空間中周期分布的維度，光子晶體可分為一維、二維和三維光子晶體。一維、二維光子晶體的加工工藝較為簡單，相關的光子學器件已被相繼研制出來，如超高品質因子的光子晶體諧振腔、高效多通道光子晶體濾波器、超高分辨率短波長光子晶體激光器等等。而三維光子晶體制備相對困難，尤其在可見光區范圍內，要求的周期晶格常數非常小（100-600nm），基于平面的微納加工技術，難以制備如此精細的三維結構，因此大大阻礙了光子晶體的發展和應用。

膠體自組裝法是一種適用于光學到近紅外波段三維光子晶體制備的方法。它通常利用重力、離心力、表面張力、壓力、電場力、磁場力等外力的誘導或強制作用，使單分散微球定向移動，加上微球之間表面的相互作用（靜電力或范德華力），從而使微球自組裝成周期性結構。膠體自組裝過程一般易于形成穩定的面心立方結構，通常稱之為蛋白石結構；利用化學氣相沉積、電化學沉積或溶膠-凝膠法等在蛋白石結構的空隙中填充不同介電常數的材料，然后去掉蛋白石模板，得到的周期性結構稱之為反蛋白石結構。

傳統的制備反蛋白石結構的方法一般分為三個步驟:首先利用聚合物微球制備蛋白石結構模板，然后把模板浸入相應的前軀體（SiO₂，TiO₂等）中的溶液或膠體中，最后除去模板得到反蛋白石結構。這一方法以下不足之處：一是由于蛋白石的空隙較小，欲填充的膠體很難完全填充空隙，造成某些缺陷；二是在浸入的過程中，蛋白石結構容易脫落破壞。盡管利用逐層氣相沉積法（如原子層沉積），能夠獲得高質量、無缺陷的反蛋白石結構光子晶體，但是這一過程，需要消耗大量人力、物力和財力，同時也需要高質量的蛋白石模板。因此，要想使反蛋白石結構獲得更廣泛的應用，需要開發一種能夠便利的制備大面積，無缺陷、高質量的反蛋白石結構的方法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種具有反蛋白石結構的光子晶體的制備方法，利用二元協同效應，首先制備聚合物膠體微球與SiO₂溶膠的二元穩定體系，以該體系為原料，一步組裝膠體微球與凝膠的周期性復合結構，然后除去膠體球模板，可得到高質量、大面積、無缺陷的反蛋白石結構的光子晶體。該方法簡單、快捷、重復性好。本發明能夠制備高質量、大面積、無缺陷反蛋白石結構。具體工藝步驟如下：

（1）首先把一定濃度、一定粒徑的聚合物微球（如聚苯乙烯微球）按一定的比例加入到一定濃度的溶膠中，然后利用超聲波分散5-60分鐘，使之形成均勻穩定的懸乳液。

（2）把上述所制備的懸乳液轉移到大小合適的玻璃容器中，并把一塊潔凈的、大小合適的基底（如玻璃、單晶硅、石英等）豎直放置到裝有上述懸乳液的玻璃容器中；然后，把玻璃容器傾斜放置到加熱臺上，加熱，使溶劑慢慢揮發；利用二元協同效應，讓聚合物微球與溶膠以自組織的方式在基底上生長，形成聚合物微球與凝膠的周期性復合結構。

（3）生長完畢后，取出樣品，在空氣中和合適的溫度條件下加熱一定的時間，使聚合物分解揮發；冷卻，取出樣品，即得到質量完美，結晶度好，無缺陷、大面積的反蛋白石結構的光子晶體。

在上述制備方法中，步驟（1）所述的聚合物微球可為聚苯乙烯微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球等；所述的聚合物微球的粒徑范圍為：0.05-4um之間，體積分布CV<3%；所述的懸乳液，聚合物微球的濃度為0.01-1%(w/w：重量百分比，溶劑為水)，溶膠的濃度為0.005-0.5%（w/w：重量百分比，溶劑為水），兩者的濃度之比為2:1（w/w：重量百分比，溶劑為水）。