[發明專利]一種基于生物模板的三維光子晶體的制備方法

有效

• 申請號: 201610142860.8
• 申請日: 2016-03-14
• 公開（公告）號: CN105624626B
• 公開（公告）日: 2018-03-09
• 發明（設計）人: 牛海紅;徐進章;程聰;黃斌;周儒;張功海;胡雨
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/08;C23C14/20;C23C14/58;C30B33/02;C30B29/16
• 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，具體地說是一種基于生物模板的三維光子晶體的制備方法，屬于光子晶體技術領域。

二、背景技術

隨著社會的發展，顯赫一時的半導體器件已經不能滿足信息技術發展的需要，必須尋找信息傳輸速率更高，效率更高的新材料。普遍認為，光子技術將續寫電子技術的輝煌，光子晶體將成為未來所依賴的新材料。光子晶體(又稱光子禁帶材料)的出現，使人們操縱和控制光子的夢想成為可能。與半導體晶格對電子波函數的調制相類似，光子帶隙材料能夠調制具有相應波長的電磁波---當電磁波在光子帶隙材料中傳播時，由于存在布拉格散射而受到調制，電磁波能量形成能帶結構光子晶體。光子晶體具有波長選擇的功能，可以有選擇地使某個波段的光通過而阻止其它波長的光通過其中。光子晶體和半導體在基本模型和研究思路上有許多相似之處，人們可以通過設計和制造光子晶體及其器件，達到控制光子運動的目的。

近些年來，在人們不斷探索和試驗的過程中，出現了許多可行的人工制備方法，如：介質棒堆積、精密機械鉆孔、膠體顆粒自組織生長、膠體溶液自組織生長和半導體工藝等。用這些方法，通過人工地控制光子晶體中介電材料之間介電常數的配比和光子晶體的微周期性結構，可以制備出帶有各種帶隙的光子晶體。然而光子晶體的制備有一定的難度，因為光子晶體的晶格尺度和光的波長具有相同的數量級，如：對于光通信波段(波長1.55μm)，要求光子晶體的晶格在0.5μm左右。但已有的方法因工藝的復雜不能達到令人滿意的程度。尤其是類生物結構(比如蝴蝶、孔雀、甲蟲等的翅膀)的光子晶體的精細制備有待長足發展。

迄今為止，已有多種基于光子晶體的全新光子學器件被相繼提出，包括無閾值的激光器，無損耗的反射鏡和彎曲光路，高品質因子的光學微腔，低驅動能量的非線性開關和放大器，波長分辨率極高而體積極小的超棱鏡，具有色散補償作用的光子晶體光纖，以及提高效率的發光二極管等。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，它可能在未來導致信息技術的一次革命，其影響可能與當年半導體技術相提并論。光子晶體在染料敏化太陽能電池的應用方面，雖然Carmen López-López(20121222-2)和S.Guldin(20121222-4)等將一維、反貓眼石等光子晶體應用于染料敏化太陽能電池中，但其光電性能不盡人意，并且，具有精準的復制結構、基于生物模板的三維光子晶體在染料敏化太陽能電池中的應用未見報道。

三、發明內容

本發明旨在提供一種基于生物模板的三維光子晶體的制備方法，該三維光子晶體的制備方法工藝過程簡單、容易實現，克服了背景技術中光子晶體的工藝方法復雜的問題；且制備而成的三維光子晶體能更加有效增加太陽光在太陽能電池中的光程，提升太陽能電池器件內部的光散射能力，從而提高太陽能電池的光電轉換效率。

本發明基于生物模板的三維光子晶體的制備方法，包括以下步驟：

步驟1，將具有三維光子晶體特性的生物模板粘于磁控濺射腔體的玻璃基底上，然后將粘有生物模板的玻璃基底置于磁控濺射系統的襯底上，選擇Ti金屬靶或ZnO陶瓷靶為磁控濺射靶材，在3×10^-3-3×10^-5Pa真空環境和40W-120W功率下，向濺射腔體內通入5-60sccm的氬氣和氧氣，同時采用射頻濺射的方式向粘有生物模板的玻璃基底上濺射金屬Ti或氧化鋅ZnO 2-15分鐘，形成生物-Ti或生物-ZnO；

步驟2，將生物-Ti或生物-ZnO送入馬弗爐中，在氧氣氛圍下于400-600℃原位高溫退火處理60-300分鐘，隨后自然冷卻到室溫，形成具有三維光子晶體結構的TiO₂納米顆粒或ZnO納米顆粒。

步驟1中氬氣和氧氣的流量比為(5-60)：1。

步驟2中馬弗爐升溫速率為0.5-5℃/分鐘。

步驟2中TiO₂納米顆粒或ZnO納米顆粒的尺寸為60-80μm。

步驟1中所述生物模板為蝴蝶翅膀，所述蝴蝶類型為大紫蛺、蚊蛺、環蝶或武凱蛺等。

與已有技術相比，本發明的有益效果體現在：