光子晶體用SiO2-Ag-SiO2核殼結構亞微米微球制備與性能研究及其自組裝.pdf

1、本文旨在制備和研究電介質、金屬基光學和近紅外波段光子晶體的組成基元和性質,以期發(fā)展一類新型的具有光學和近紅外波段完全光子帶隙的金屬基光子晶體。論文系統(tǒng)總結、評述了光子晶體理論及其制備的研究進展和熱點方向、面臨的主要問題及其解決思路、以及光子晶體的應用和發(fā)展前景。應用透射電鏡(TEM)、掃描電鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)、紫外可見光譜(UV-Vis)、紅外光譜(IR)、X射線光電子能譜(XPS)、孔徑和比表面分析(BET)、X射線能

2、譜(EDS)等綜合實驗手段,研究了亞微米SiO2微球、銀包覆SiO2微球(SiO2@Ag)、表面SiO2介質膜的銀包覆SiO2微球(SiO2@Ag@SiO2)等光子晶體基元的制備方法及工藝,制備了能滿足光子晶體要求的高圓度、單分散、窄分布、粒徑可控的組成基元,利用沉降、提拉、擠壓等自組裝技術制備了高質量光子晶體,探索研究了其光譜學性質和帶隙特點,取得了一系列重要結論和創(chuàng)新性成果,為光學近紅外波段完全光子帶隙的實現(xiàn)打下了堅實的基礎。采用s

3、ol-gel技術研究了光子晶體用亞微米SiO2微球的制備方法。發(fā)現(xiàn)了體系組成、pH值及TEOS濃度等工藝條件敏感而交互地影響SiO2微球形成及其形態(tài)、尺寸、分布與單分散性,難于制備符合光子晶體綜合要求的SiO2微球。研究和建立了一種通過控制SiO2種子“數(shù)密度”和分步添加TEOS以有效控制其濃度、改變生長環(huán)境的亞微米SiO2微球制備新工藝;成功制備了兼具有高圓度、單分散、窄粒徑分布(＜3％)、尺寸可調、結構致密的亞微米SiO2微球;并采

4、用提拉自組裝技術獲得厘米尺寸的光子晶體。研究探明了SiO2微球的形成規(guī)律及動力學關系,給出了最適宜的sol-gel工藝及熱處理條件,確定了SiO2微球粒徑(D)與TEOS添加量間關聯(lián)的定量方程,并與實驗結果很好地吻合,實現(xiàn)了在160nm-1um范圍內球徑的預測和調控;為制備適合于不同波段光子晶體用SiO2微球提供依據(jù)和可能,有著重要意義。研究建立了在亞微米SiO2微球表面均勻包覆納米金屬銀層的濕化摘要學制備方法。系統(tǒng)研究了si仇微球表面

5、敏化、體系組成與反應條件對表面銀沉積反應、銀顆粒尺寸、堆垛結構的影響及其對銀層的致密、均勻覆蓋和光學性質的關聯(lián)規(guī)律;確認納米銀沉積是基于成核一生長機制,對不同反應步驟分別實施有效控制是獲得致密均勻覆蓋納米銀層的關健和難點。基此研究提出了一種成核一生長分離控制的亞微米微球表面納米銀層制備新方法;成功制備出覆蓋度高、均勻致密、介質常數(shù)對比大的高質量金屬基光子晶體組成基元材料(已申請國家發(fā)明專利,受理號:03141603.9)。仔細研究了亞微

6、米510:微球表面銀的成核一生長過程和動力學規(guī)律及其對納米銀層覆蓋度、厚度和均勻性的關聯(lián)及控制技術;給出了納米銀沉積和厚度控制的精確工藝以及銀層厚度與銀離子的量間的實驗擬合方程,實現(xiàn)了表面銀層厚度在5一40nm范圍內的可控調節(jié)。XRD、EDS、XPS和TEM綜合表征確認銀層為單質納米銀?；诮饘兕w粒的等離子共振原理和銀的電介質函數(shù)特性及其對光散射和吸收的影響,應用仃認巧s和TEM對比研究了核殼結構微球表面不同銀顆粒尺寸、間距和聚集狀態(tài)對

7、等離子吸收行為的影響規(guī)律,確認隨沉積反應時間的延長,銀顆粒間距變小,UV-巧s吸收峰依次紅移和展寬,認為siq微球表面銀顆粒間偶極子的相互作用是吸收峰位移、展寬的可能機制,建立了UV-巧s吸收峰紅移、展寬與siq微球表面銀顆粒覆蓋度的關聯(lián),提出了一種利用UV-巧s光譜評價siq微球表面納米銀顆粒覆蓋度的方法。研究建立了亞微米微球表面納米siq膜的濕化學制備技術,研究探明了siq微球表面化學改性對形成均勻致密的si仇介質膜、抑制團聚及Ag

8、層溶解脫落的關健作用與原因。提出了一種利用妙s和Pvp復合改性的微球表面沉積siq介質膜的方法,闡述了復合改性的機理,在微球表面獲得了均勻致密、厚度可控的siq膜,成功制備了能滿足光子晶體要求的高圓度、單分散、窄粒徑分布的5102金屬光子晶體制備基元(已申請國家發(fā)明專利,受理號:0314l6 2.0),為利用自組裝技術制備金屬基光子晶體提供了材料基礎。研究得出了微球表面的形成規(guī)律及動力學關系,給出了表面改性后亞微米球體表面沉積優(yōu)化工藝參

9、數(shù),確定了膜厚與TEOS加入量的定量關系并實現(xiàn)了18一40nm范圍可浙江大學博士學位論文控,為調控金屬基光子晶體填充系數(shù)、獲得帶隙寬度可調的完全光子帶隙提供了可能。對比研究了沉降、擠壓和提拉自組裝技術的工藝特征及其對光子晶體質量的影響。SEM研究表明,三者均可制備面心立方結構的光子晶體,但不同程度存在空位、位錯、層錯等結構缺陷。提拉法可通過控制溶劑表面張力、蒸發(fā)速率等條件改變微球輸運、組裝和重排過程,改善晶體結構完整性和光子帶隙特性。U