SiO2納米粒子制備及自組裝光學(xué)性能

周世奇，戴玉梅，王建華

（沈陽大學(xué)a.黨委校長辦公室，b.師范學(xué)院，遼寧 沈陽 110044）

光子晶體是由介電常數(shù)周期性分布的一維、二維、三維周期性復(fù)合材料.光子晶體概念首次被E.Yablonovitch［1］和 S.John［2］于1987年分別提出.光子晶體的重要特點是存在光子帶隙.而光子帶隙的產(chǎn)生和光學(xué)性能主要是取決于晶格常數(shù)和材料的相對折射率.當(dāng)入射光線的頻率恰好處于帶隙范圍時，光被抑制而不能傳播.由于光子晶體帶隙的特殊性質(zhì)，基于光子晶體的光電子設(shè)備得到廣泛的研發(fā).光子晶體在低耗光導(dǎo)、發(fā)光二極管、光開關(guān)及可調(diào)光柵等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值.外場可調(diào)光子帶隙材料帶隙的動態(tài)變化也得到廣泛研究.單分散膠體微球PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯Poly－methyl－methacrylate）、PS（聚苯乙烯polystyrene）和SiO2由于廉價，易制備而得到青睞，被廣泛用于光子晶體制備［3－7］.

本文利用溶膠－凝膠法制備單分散SiO2微球，以該微球為組裝材料，通過溶劑揮發(fā)制備了SiO2三維光子晶體.同時考察了不同粒徑微球制備的光子晶體帶隙的變化特點.微觀結(jié)構(gòu)通過SEM（Scanning Electron Microscope掃描電鏡）獲得，光子帶隙位置通過紫外－可見分光光度計測量.

1 實驗部分

1.1 原材料及儀器

正硅酸乙酯（TEOS）、乙醇、氨水均為分析純，購于沈陽國藥集團，未再次純化；去離子水實驗室制備.實驗儀器主要有恒溫磁力攪拌器、飛鴿高速離心機、超聲清洗器.檢測儀器有日立Hitachi S4800場發(fā)射掃面電子顯微鏡、美國Perkin Elemer Lamda 950分光光度計.測試用電壓為5kV.

1.2 二氧化硅顆粒制備

二氧化硅顆粒的具體制備條件如下：①分別量取9mL濃氨水，16.25mL無水乙醇和24.75 mL去離子水，置于三口燒瓶中磁力攪拌；②分別量取一定體積（具體用量見表1）的正硅酸乙酯和45.5mL無水乙醇，攪拌均勻.將②中的均勻溶液加入到①中，快速攪拌，溶液呈微藍色，待攪拌均勻，降低攪拌速度反應(yīng)2h.以上反應(yīng)均在恒溫40℃下完成，反應(yīng)條件及投料見表1.反應(yīng)后溶液成乳白色，置于離心機中離心，轉(zhuǎn)速為8 000r／s，離心5min，并乙醇洗滌3次，烘干重新分散到乙醇中，形成二氧化硅溶膠，待用.

表1 SiO2制備投料比及反應(yīng)條件Table 1 Feed ratio and reaction conditions of SiO2preparation

1.3 二氧化硅光子晶體模板制備

載玻片20mm×50mm×1mm置于V（濃硝酸）∶V（雙氧水）＝2∶1的混合液中浸泡24h，依次用蒸餾水、乙醇超聲清洗20min，真空烘箱烘干備用.量取質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的SiO2溶膠至于燒杯中，超聲分散10min，將備用載玻片垂直至于燒杯中，密封并于正上方開有微孔，置于恒溫烘箱中，溫度設(shè)定在50℃，待溶劑乙醇完全揮發(fā)后在載玻片表面形成所需三維膜.

1.4 光子晶體微結(jié)構(gòu)及光學(xué)性能確定

圖1 SiO2微球自組裝三維光子晶體微觀結(jié)構(gòu)Fig.1 The micro－structure of three－dimension SiO2photonic crystal

SiO2晶體薄膜的反射譜由美國Perkin Elmer Lamda 950UV／Vis／NIR 分光光度計測定.薄膜微觀結(jié)構(gòu)由日立Hitachi S4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡獲得，測試電壓為5kV.

2 結(jié)果與討論

2.1 SiO2納米粒子表征

SiO2納米粒子制備通過SEM對其微結(jié)構(gòu)表征，SiO2粒徑大小如圖1所示.納米粒子粒徑主要通過SEM在薄膜微結(jié)構(gòu)中獲得，SiO2粒徑呈現(xiàn)均勻分布，隨著正硅酸乙酯體積分?jǐn)?shù)的增加，粒徑為200～279nm.對大于200個微球統(tǒng)計可知，粒徑平均偏差在5%.

2.2 SiO2薄膜微結(jié)構(gòu)

SiO2薄膜主要通過SiO2在乙醇中垂直沉降法制備，不同粒徑SiO2薄膜結(jié)構(gòu)如圖1所示.SiO2在三維空間中呈有序的最密集排列結(jié)構(gòu)，在同一個平面上，一個SiO2微球周圍密集排列了6個SiO2微球，形成面心立方結(jié)構(gòu)FCC（Facecentered cubic structure）.SiO2薄膜微結(jié)構(gòu)中存在裂痕，分析主要原因是SiO2薄膜在馬弗爐中控溫500℃煅燒穩(wěn)固膜結(jié)構(gòu)過程中，由于微球間的應(yīng)力釋放導(dǎo)致薄膜開裂.為了克服薄膜產(chǎn)生裂痕問題，后期實驗準(zhǔn)備在SiO2微球上活化有機官能團，緩沖微球間應(yīng)力釋放，從而避免薄膜裂痕出現(xiàn).通過裂痕發(fā)現(xiàn)，薄膜內(nèi)部同樣呈現(xiàn)有序三維結(jié)構(gòu).

2.3 SiO2薄膜光學(xué)性能

圖2 SiO2微球自組裝三維光子晶體反射光譜Fig.2 The reflection spectrum of three－dimension SiO2photonic crystal

3 結(jié) 論

本文利用溶膠－凝膠法制備了不同粒徑的SiO2微球，配置5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SiO2乙醇溶膠，通過恒溫溶劑揮發(fā)，實現(xiàn)了垂直沉積SiO2微球光子晶體的制備.通過SEM研究了光子晶體的微結(jié)構(gòu)，光子晶體為FCC結(jié)構(gòu)密堆積，討論了薄膜裂痕出現(xiàn)的原因.理論計算可知，光子晶體帶隙位置與實驗測的帶隙位置基本吻合.制備的光子晶體將為后期可調(diào)帶隙材料的制備奠定基礎(chǔ)，并指導(dǎo)后期微球結(jié)構(gòu)光子晶體制備.

［1］ Yablonovitch E.Inhibited Spontaneous Emission in Solid－State Physic and Electronics［J］.Physical Review Letters，1987，58（20）：2059－2062.

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