[發明專利]一種具有光子晶體特性的TiO2納米顆粒的制備方法

有效

• 申請號: 201610092480.8
• 申請日: 2016-02-19
• 公開（公告）號: CN105800681B
• 公開（公告）日: 2017-12-05
• 發明（設計）人: 牛海紅;徐進章;程聰;胡雨;張功海;黃斌;周儒
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: C01G23/053
• 分類號: C01G23/053
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司34101
• 代理人: 喬恒婷

一、技術領域

本發明涉及一種光子晶體的制備方法，具體地說是一種具有光子晶體特性的TiO₂納米顆粒的制備方法，屬于半導體材料與器件技術領域。

二、背景技術

自然界中，一些物質由于其自身具有周期性排列的結構，可以被看作天然的光子晶體。如蝴蝶翅膀、蛋白石、甲蟲外殼等等。這些天然的光子晶體之所以在自然光的照射下有著五彩繽紛的顏色，是因為他們特有的周期性結構會對不同角度入射的光線產生不同波段的反射所導致的。其中蝴蝶翅膀因有著平面方向的周期結構而屬于二維光子晶體結構。目前工藝技術方面，膠體晶體自組裝法和反蛋白石結構法是光子晶體制備方法中最常用的兩種方法。但以其制備出來的光子晶體作為光散射層在DSSC中的表現卻不盡如人意。仍亟需更好的方法來制備光子晶體。

據研究發現，紋蛺蝶翅膀的顏色來自于其內部的二維多孔光子晶體結構與外界光線的相互作用，把這種生物蛋白構成的光子晶體轉化成半導體氧化物便可以獲得具有二維光子晶體結構的半導體氧化物。TiO₂是一種寬帶隙半導體材料，不僅擁有在其他半導體中少見的高透光率，而且它的折射率比生物蛋白高，這有利于光子在其內部的傳送與運輸。

現階段利用金屬氧化物復制生物模板結構仍有較多不完善的地方。Iwase E.等使用光刻技術在硅片表面刻制類似蝴蝶翅膀鱗片結構的衍射格子，但其工藝水平有限，所的得到的顯微結構的精細程度無法與自然蝴蝶相提并論；Cook G.等以孔雀蛺蝶(Peacock butterfly)鱗片為模板，采用化學氣相沉積法(CVD)，制備SiO₂蝶翅遺態材料，由于硅烷水解速度難以控制，導致在尚未滲透進鱗片的內部結構之后就已經形成SiO₂層，無法精確復制其結構；Silver J. 等以具有類光子晶體結構的南美大閃蝶Morpho Pleides的鱗片結構為模板，采用溶膠-凝膠法制備TiO₂光子晶體材料，但由于TiO₂前驅體的水解速度無法很好的控制，最終復制的蝶翅分級結構細節模糊，僅能保留翅脊與翅肋的微米尺寸的結構特征；Huang J.Y.等采用原子層沉積法(ALD)，對Morpho Peleides的顯微結構進行了逐層較為精準地覆蓋，得到了不同厚度的蝶翅結構材料。但由于Al₂O₃的折射率與甲殼素的折射率基本一致，最終反射譜線并無太大的改變。

三、發明內容

本發明旨在提供一種具有光子晶體特性的TiO₂納米顆粒的制備方法，所要解決的技術問題是提高光子晶體的光子吸收率，以提高薄膜太陽能電池對光的充分利用率以及其光電性能。

所述的光子晶體特性即一系列具有準平行結構有梳齒狀鑲嵌的脊，與脊垂直的肋條以及它們所組成的小孔呈網狀有規律的微納米分級結構的分布。

本發明具有光子晶體特性的TiO₂納米顆粒的制備方法，包括如下步驟：

(1)將20mL 2mol/L的TiCl₄溶液加入200mL容量瓶中，隨后加入無水乙醇定容至 200mL，得到前驅體溶液；

(2)將處理后的蝶翅浸入所述前驅體溶液中，70℃下密閉處理1.5小時，隨后向前驅體溶液中加入100mL去離子水，70℃下繼續密閉處理3.5小時，處理結束后將蝶翅取出并用無水乙醇洗去表面殘留的前驅體溶液，室溫下晾干；

步驟(2)中所述處理后的蝶翅是按以下方法處理得到的：

取蝴蝶若干只，用剪刀除去其胸腹部，保留蝶翅；將蝶翅浸入無水乙醇中超聲清洗1-15 分鐘，超聲清洗結束后用鑷子取出蝶翅，用無水乙醇沖洗，得到處理后的蝶翅。

(3)將經步驟(2)處理后的蝶翅升溫至400-600℃反應100-140min，隨后自然降至室溫，得到具有光子晶體特性的TiO₂納米顆粒。

步驟(3)中升溫至400-600℃時的升溫速率為1-5℃/min。

步驟(3)的反應過程是將蝶翅鋪于干凈的載玻片表面，放入通有氧氣的馬弗爐中進行。

本發明具有光子晶體特性的TiO₂納米顆粒可以作為染料敏化太陽能電池和其它薄膜太陽能電池的散射層來使用。