【摘要】：當電磁波在周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)材料中傳播時,由于受到調(diào)制而形成能帶結(jié)構(gòu)—光子能帶結(jié)構(gòu),其帶隙稱為光子帶隙。此具有光子帶隙的周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)就是光子晶體。光子晶體帶隙寬度主要取決于維度、對稱性、介質(zhì)填充率、介電常數(shù)比等參數(shù)。構(gòu)成光子晶體材料的介電常數(shù)對比度越高,出現(xiàn)寬帶隙和完全帶隙的可能性越大。因此可以通過提高介電常數(shù)比來實現(xiàn)寬帶隙和全帶隙的光子晶體。光子晶體結(jié)構(gòu)材料在光波導、低閾值激光器、三維有序大孔材料、光催化、氣體傳感器等方面有著巨大的應用前景。本文利用垂直自組裝法,研究制備了不同粒徑聚苯乙烯微球蛋白石,實驗表明,蛋白石薄膜在自然光下分別呈現(xiàn)不同的色彩。通過對蛋白石薄膜表征表明,PS微球蛋白石在宏觀上呈現(xiàn)長程有序結(jié)構(gòu),但是在各蛋白石疇區(qū)間存在著一定程度的裂紋,且沿著生長方向的裂紋是較為連貫的,而垂直于蛋白石方向的裂紋則顯得無規(guī)律可循；在微觀上,蛋白石中PS微球主要以六方密堆積方式進行排列；從斷面上觀察,PS微球呈面心立方結(jié)構(gòu)排列,且沿著蛋白石生長方向,PS微球的層數(shù)越來越多。通過對PS微球蛋白石薄膜進行透射光譜和反射光譜表征,結(jié)果表明,測量得到的光子帶隙波長與用Bragg公式計算得到的帶隙波長值高度吻合。通過對PS微球溶液濃度變化研究表明,當PS微球溶液濃度太大時,蛋白石薄膜容易脫落；但是,當PS微球粒徑變大,PS微球溶液的濃度適當變大不會導致蛋白石薄膜脫落。通過在同一塊基片上研究蛋白石薄膜組裝次數(shù),結(jié)果表明隨著組裝次數(shù)的增加,蛋白石薄膜的質(zhì)量逐漸下降。利用離心沉降法將不同粒徑的PS微球制備成塊狀蛋白石,在自然光下,塊狀蛋白石會呈現(xiàn)不同的色彩；在微觀上,絕大部分PS微球呈六方密堆積結(jié)構(gòu)排列；反射光譜測量表明,塊狀蛋白石光子帶隙波長測量值與理論值高度一致。以220nm、340nm、390nm、435nmPS微球蛋白石為模板,通過三步法制備了反蛋白石SnO2。在鹵鎢燈下,不同模板制備的反蛋白石Sn02分別呈現(xiàn)不同的色彩；相對于蛋白石細小的裂紋,反蛋白石SnO：裂紋明顯變大：宏觀上,反蛋白石SnO2呈現(xiàn)長程有序結(jié)構(gòu)；微觀上,反蛋白石SnO：由許多規(guī)則整齊的大孔和小孔組成。進一步表征表明,在燒結(jié)過程中,蛋白石的結(jié)構(gòu)并未被破壞,而是被空氣球所替代,而PS微球間的空隙則被SnO2骨架所彌補。電子衍射表征表明,反蛋白石Sn02晶型呈四方相金紅石結(jié)構(gòu)。XRD測量表明,反蛋白石SnO2晶型與JCPDS標準卡41-1445一致,呈四方相金紅石結(jié)構(gòu)。通過對PS微球蛋白石、反蛋白石SnO2反射光譜表征表明,蛋白石的光子帶隙波長測量值與理論值高度一致。但是,對于反蛋白石而言,其理論光子帶隙波長無法計算,只能測量。通過測量反蛋白石Sn02帶隙波長及其空氣球的孔徑,利用Bragg公式,可以計算出SnO2的填充率。通過對不同粒徑的PS微球蛋白石滲透SnO2前驅(qū)體次數(shù)研究表明,隨著PS微球粒徑增大,若得到結(jié)構(gòu)較為完好的反蛋白石結(jié)構(gòu),滲透次數(shù)需要加大,或者溶膠濃度需提高。本文通過兩步法嘗試制備了反蛋白石Sn02,總體而言,利用兩步法只能在局部得到較為完整的反蛋白石結(jié)構(gòu)。本文以340nm、390nm、435nmPS微球蛋白石為模板,通過三步法制備了反蛋白石CeO2、TiO2。在鹵鎢燈下,不同模板制備的反蛋白石CeO2、TiO2分別呈現(xiàn)不同的色彩。通過對反蛋白石CeO2、TiO2進一步表征表明,其結(jié)構(gòu)、光學性能與反蛋白石SnO2非常一致。XRD表征表明,反蛋白石CeO2晶型與JCPDS標準卡34-0394一致,皆為MO8立方螢石結(jié)構(gòu)；反蛋白石TiO2晶型與JCPDS標準卡89-4921一致,為銳鈦礦型。通過對反蛋白石SnO2、CeO2、TiO2的填充率計算發(fā)現(xiàn),PS微球粒徑越大,反蛋白石結(jié)構(gòu)中SnO2、 CeO2、TiO2相對填充量越少。利用280nmPS微球蛋白石塊為模板,制備了反蛋白石SnO2氣敏材料,利用WS-30A氣敏測試系統(tǒng)測量其對甲醇氣體的氣敏性能。通過對其氮吸附脫附研究表明,相較于參照樣,利用蛋白石模板制備的反蛋白石結(jié)構(gòu)材料比表面積最大。通過研究加熱溫度對氣體傳感器的氣敏性能影響發(fā)現(xiàn),當工作溫度升高時,SnO2氣體傳感器的靈敏度增加,當達到312℃時,靈敏度最大；繼續(xù)升高工作溫度,靈敏度都呈下降趨勢。當工作溫度為312℃時,相較于參照樣,反蛋白石Sn02對500ppm甲醇的靈敏度最大,達到95；通過對傳感器氣敏響應-恢復時間研究發(fā)現(xiàn),相較于參照樣,反蛋白石SnO2的響應-恢復時間最短。利用氣體傳感器在最佳工作溫度312℃下,對500ppm不同的有機化合物氣體如甲醇、乙醇、甲醛、異丙醇、丙酮、苯、甲苯、二甲基甲酰胺等進行了選擇性測試,結(jié)果表明,反蛋白石Sn02氣體傳感器對甲醇氣體具有良好的選擇性。利用反蛋白石SnO2氣體傳感器在最佳工作溫度312℃下,對不同濃度的甲醇氣體進行周期性循環(huán)測試,結(jié)果表明,甲醇濃度在1-2000 ppm范圍內(nèi),反蛋白石Sn02氣體傳感器的電阻與甲醇氣體濃度變化展現(xiàn)了良好的線性關(guān)系。本文通過對蛋白石、反蛋白石光子晶體制備、表征,特別是光學性能研究,為光致發(fā)光材料的制備以及光照氣敏性能的開展打下了一定的基礎(chǔ)。
【圖文】：

如果光子晶體在幾何構(gòu)形上僅具有一維周期性，，那么它將形成一維光子晶體，光子帶逡逑隙將出現(xiàn)在這個方向上。如果它在二維或蘭維均具有周期性，那么它將形成二維或Ｓ維光逡逑子晶體，圖１－１給出了由折射率不同的兩種物質(zhì)所構(gòu)成的一維、二維和Ｈ維光子晶體的結(jié)逡逑構(gòu)示意圖。逡逑２－Ｄ邐３－Ｄ逡逑ｍｍｍ逡逑圖１－１光子晶體空間潔構(gòu)示意圖［３］逡逑光子晶體的周期性結(jié)構(gòu)特點決定了它的能帶結(jié)巧，設(shè)計具有完全帶隙的光子晶體，必逡逑須要選擇較高的折射率比、適當?shù)木Ц窠Y(jié)構(gòu)和拓撲結(jié)構(gòu)。逡逑一般可通過如下特征參數(shù)來設(shè)計光子晶體的帶隙結(jié)構(gòu)。逡逑維數(shù)：光子晶體的維數(shù)是指具有折射率周期性的維數(shù)，如圖１－１所示。逡逑晶格結(jié)構(gòu)：|!立方、體也立方（ＢＣＣ）、ＦＣＣ、六角密堆（ＨＣＰ）、金R[石結(jié)構(gòu)等。逡逑巧撲結(jié)構(gòu)：對稱性確定的晶格存在多種對光子帶隙結(jié)構(gòu)影響很大的巧化結(jié)構(gòu)，圖１－２為逡逑面也對稱結(jié)構(gòu)存在的多種拓撲結(jié)構(gòu)。逡逑／i義賢跡保裁妗┒猿平峁勾嬖詰畝嘀滯卦峁�；（ａ）空气中窋S氳慕櫓是潁誨義希ǎ猓┛掌辛ǖ慕櫓是潁海ǎ茫┙櫓手蟹擲氳目掌媲潁唬ǎ洌┙櫓手辛齙目掌潁郟常蒎義暇Ц癯Ｊ壕Ц癯Ｊ敲枋鏨⑸湓渚嗬氳牟問�，峨s諏⒎驕Ц�，晶格常数经常取辶x轄峋г⒎教宓謀叱�。辶x嫌行д凵瀆剩憾雜謨閃街紙櫓使鉤傻墓庾泳�，有效折蔀^識ㄒ澹郟罰菸哄義

本文編號：2531187