[发明专利]可控梯度的胶体光子晶体的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种可控梯度的胶体光子晶体的制备方法。

背景技术

光子晶体能够控制光的传输，与半导体控制电子运动类似。针对半导体集成电路热效应导致的能耗大、信息传播慢等问题，将光子作为信息载体这一思路受到研究人员的广泛关注。设计类似于集成电路的“集成光路”，最终发展成全光通信、光子计算机等光子产业是科学家们的梦想。在光子晶体结构的制备中，胶体微球自组装具有方法简单、成本低廉的特点。近年来，具有梯度结构的胶体光子晶体逐渐受到人们的重视。

横向梯度结构是在平行于基片方向上胶体晶体的厚度、晶格常数逐渐增大或减小的结构。横向厚度梯度结构胶体光子晶体中，透射峰值的强度可以通过改变胶体晶体的厚度来定量调节，随着厚度的增大透射强度的逐渐增加，此外厚度越大透过半峰宽越窄。因此，该梯度胶体晶体可以用作可调的光学过滤器（Zhang,J.;Xue,L.J.;Han,Y.C.Langmuir 2005,21,5667）。在光子晶体结构中，由于较低的群速度会导致较高的反射率以及传播模式的阻抗失配，所以低群速度的光子模式的获取比较困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种步骤简单、低耗、可控梯度的胶体光子晶体的制备方法。

我们的方法涉及以改进的对流自组装法制备层数可控的聚合物胶体光子晶体，然后结合各向同性的氧等离子体刻蚀来制备纵向可控梯度的胶体光子晶体。整个过程操作简便、低耗清洁、可控性高，并且不同层数以及纵向梯度结构胶体光子晶体均有很好的稳定性。

我们通过氧等离子体（O₂ Plasma）刻蚀聚合物胶体晶体，可以制备出能够降低光波群速度的纵向梯度结构胶体光子晶体。该结构在垂直于基片方向上微球尺寸或者晶格常数逐渐变化，不仅降低了光波群速度而且增加了结构及光学质量（Freymann,G.V;John,S.;Ozin,G.A.Adv.Mater.,2005,17,1273.）。低群速度可以有效放大非线性光学效应，增强自发辐射，提高光化学反应的效率等，从而使得本发明制备的可控梯度的胶体光子晶体可用于荧光增强、传感等方面。

本发明所述可控梯度的胶体光子晶体的制备方法，其步骤如下：

（1）在氮气排空的三口烧瓶中加入100~120mL去离子水，然后向其中加入减压蒸馏后的18.00~22.50mL苯乙烯、1.00~1.25mL甲基丙烯酸甲酯（MAA）、1.00~1.25mL丙烯酸（AA）以及0.30~0.80g碳酸氢铵（NH₄HCO₃）、0.32~0.42g重结晶后的引发剂，在200~400rpm搅拌速度下，水浴加热升温至65~70℃，在氮气氛围下稳定反应5~7h进行聚合；聚合完成后持续搅拌下挥发除去未聚合的单体，抽滤除去乳液中团聚的胶体微球，再重复离心和水洗过程3~5次，从而得到尺寸均一的聚合物微球；

（2）将聚合物微球稀释成浓度为0.50~3.70wt%的水分散液；在15~20℃下将亲水处理过的基片垂直插入聚合物微球的水分散液中，然后将基片以0.93~1.98μm·s^-1的速度从聚合物微球的水分散液中提拉出来，从而在基片表面自组装形成2~30层胶体光子晶体；

（3）将具有2~30层胶体光子晶体的基片进行氧等离子体刻蚀，真空度为0.1~0.2mbar，刻蚀功率为6.8~18.0W，刻蚀时间为3~15min，从而在基片上得到可控梯度的胶体光子晶体。

步骤1）中使用的是商业化苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸单体，通常都含有一定量的阻聚剂对苯二酚，需要减压蒸馏收集馏分后使用；而苯乙烯在减压蒸馏前需要先进行碱洗：用1~10wt%氢氧化钠（或氢氧化钾等强碱）水溶液洗涤苯乙烯3~5次至无色，再用蒸馏水洗涤至pH=6.5~7.5，无水硫酸除水分；

步骤1）中引发剂为过硫酸铵（NH₄)₂S₂O₈）、过硫酸钾（K₂S₂O₈）等，商业渠道的引发剂中通常含有少量杂质（硫酸氢铵、硫酸铵或硫酸氢钾、硫酸铵），需要通过3~5次重结晶除掉引发剂中的杂质后使用，；

步骤1）中的聚合反应必须在无氧环境中进行，避免氧气引起的聚合链终止反应；需要控制恒定的搅拌速度，以利于形成尺寸分散窄的胶体微球；