[發(fā)明專利]一種基于調(diào)控納米顆粒空間分布的光子晶體制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610472711.8
• 申請(qǐng)日: 2016-06-24
• 公開（公告）號(hào): CN106082119B
• 公開（公告）日: 2018-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張家雨
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): B82B3/00
• 分類號(hào): B82B3/00;B82Y20/00;G02B1/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙)32249
• 代理人: 陳國(guó)強(qiáng)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光子晶體領(lǐng)域，提出利用周期光場(chǎng)來調(diào)控納米顆粒的空間分布，從而制備出光學(xué)折射率空間周期分布的光學(xué)材料。

背景技術(shù)

光場(chǎng)可在其輻照的物質(zhì)上產(chǎn)生作用力。在原子物理領(lǐng)域，人們利用這種光作用力來冷卻原子，形成原子“光陷阱”，光陷阱是通過一特定窄譜帶的光散射來降低原子的速度，但納米顆粒缺乏這種窄帶散射特性；另一方面，人們廣泛利用“光鑷”技術(shù)來操縱細(xì)胞等微米尺度的顆粒。光鑷中的光力來源于電極化效應(yīng)，其大小與顆粒的體積有關(guān)。顆粒尺寸越小，作用在其上的光力就越小。光鑷在納米顆粒上所產(chǎn)生的光力通常不足以克服熱漲落所導(dǎo)致的布朗運(yùn)動(dòng)。因此利用光鑷來對(duì)單一納米顆粒進(jìn)行操縱是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。近年來，人們?cè)诠忤嚰夹g(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展了多種新方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)納米顆粒的操縱。相比于球狀納米顆粒，幾何形狀高度各向異性的納米線或者碳納米管具有顯著的電極化率，因此可使用遠(yuǎn)場(chǎng)光鑷來進(jìn)行俘獲和旋轉(zhuǎn)，另外等離激元共振也使得金屬顆粒具有很大的電極化率。另一方面，利用表面等離激元的局域場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，通過微納結(jié)構(gòu)的金屬基底來獲得近場(chǎng)光鑷，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)納米顆粒的俘獲。利用光鑷來操縱單一納米顆粒進(jìn)行有序排列，可形成二維光子晶體結(jié)構(gòu)，也可以將多光束干涉與光鑷結(jié)合在一起，形成規(guī)則排列的“顆粒勢(shì)阱”，來同時(shí)對(duì)多個(gè)顆粒進(jìn)行操縱，這樣也可獲得顆粒的有序排列。需要說明的是，這些工作都是通過先“牢固俘獲”單一顆粒，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)顆粒的有序排列。

經(jīng)過多年的理論和應(yīng)用研究，光子晶體在多個(gè)領(lǐng)域呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。光子晶體的制備是其開展應(yīng)用的基礎(chǔ)，目前的制備方法包括自組裝、平面刻蝕和光學(xué)全息等。本發(fā)明所提出的光子晶體制備方法具有工藝簡(jiǎn)單、可重復(fù)性好、與當(dāng)前光集成工藝兼容性好等特點(diǎn)。

目前常規(guī)的光子晶體(例如利用膠體自組裝或者利用刻蝕工藝制備的光子晶體)是由兩種材料交替排列而成，因此折射率在兩個(gè)數(shù)值之間周期性跳躍變化。由于膠體微球有一定的尺寸分布，因此微球自組裝所形成的膠體光子晶體存在很多的缺陷。另一方面，對(duì)塊體光學(xué)材料進(jìn)行由外向內(nèi)的刻蝕也能制備出光子晶體，但該方法很難獲得厚尺寸的光子晶體。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于調(diào)控納米顆粒空間分布的光子晶體制備方法，利用多光束干涉所形成的周期光場(chǎng)來調(diào)控納米顆粒的空間分布，使得納米顆粒的密度呈現(xiàn)周期性分布。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于調(diào)控納米顆粒空間分布的光子晶體制備方法，在光子晶體制備中，利用多光束干涉所形成的周期光場(chǎng)來調(diào)控納米顆粒的空間分布，使得納米顆粒的密度呈現(xiàn)周期性分布，從而制備出光子晶體。

該方法具體包括以下步驟：

1)利用膠體化學(xué)法制備納米顆粒，并利用表面配體對(duì)納米顆粒進(jìn)行表面修飾，使其轉(zhuǎn)化成水溶性納米顆粒；將齊聚物、單體、和2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮配成具有UV光固化性質(zhì)的液態(tài)介質(zhì)，并將其與水溶性納米顆粒混合，得到納米顆粒溶液；

2)利用旋涂制膜法將上述步驟得到的納米顆粒溶液在基板上成膜，得到液態(tài)薄膜；

3)將擴(kuò)束的532nm激光束分成三束等光強(qiáng)的、相對(duì)空間角相同的光束，使其在上述液態(tài)薄膜表面上干涉，來形成二維周期光場(chǎng)；在該調(diào)控光場(chǎng)作用于液態(tài)薄膜1分鐘后，液態(tài)薄膜內(nèi)形成納米顆粒的空間周期分布；然后將280nm UV固化光同時(shí)輻照在液態(tài)薄膜上，將該液態(tài)薄膜轉(zhuǎn)化為固態(tài)薄膜，從而形成一層光子晶體薄膜，該層光子晶體薄膜中的圖案為操縱光干涉點(diǎn)陣圖案；

4)對(duì)基板相對(duì)于上述步驟得到的光子晶體薄膜中的操縱光干涉點(diǎn)陣圖案進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)操作，使操縱光干涉點(diǎn)陣分布在上一層光子晶體薄膜的點(diǎn)陣間隙；

5)重復(fù)上述步驟2)和步驟3)，來制備另一層光子晶體薄膜；

6)循環(huán)操作重復(fù)上述步驟4)、步驟2)和步驟3)，來制備三維光子晶體。

步驟3)中，通過改變?nèi)缮婀獾南鄬?duì)空間角，來改變操縱光二維周期點(diǎn)陣圖案。

步驟1)中，所述納米顆粒為半導(dǎo)體CdSe納米顆粒；表面配體為3-巰基丙酸；齊聚物為聚氨酯丙烯酸酯；單體為三丙二醇二丙烯酸酯。

步驟1)中，聚氨酯丙烯酸酯、三丙二醇二丙烯酸酯、2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮按體積比70:25:5比例。

有益效果：本發(fā)明提供的方法，利用多光束干涉所形成的周期光場(chǎng)來調(diào)控納米顆粒的空間分布，使得納米顆粒的密度呈現(xiàn)周期性分布。在納米顆粒密度越大的區(qū)域，折射率就越大。納米顆粒密度的周期分布將意味著光學(xué)折射率在該固態(tài)薄膜中也呈現(xiàn)出周期性分布，從而制備出光子晶體。