光子晶體膠體球的制備、自組裝及其性質(zhì).pdf

1、光子晶體是一種介電常數(shù)周期性變化排列的微結(jié)構(gòu)材料，由于光子晶體具有獨(dú)特的控制和調(diào)節(jié)光子運(yùn)動(dòng)的功能，它將在光電子學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本論文主要研究了SiO2球、ZnO球、Eu3+：ZnO球、Eu3+：SiO2球及SiO2/ZnO核殼結(jié)構(gòu)的制備、自組裝及它們的性質(zhì)。獲得主要研究成果如下： 1.基于光子晶體對(duì)結(jié)構(gòu)基元的苛刻要求，利用Stober方法和改進(jìn)的Stober方法分別制備了粒徑涵蓋100-300nm、粒徑標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5％

2、的單分散SiO2球。以透射電子顯微鏡(TEM)和掃描電子顯微鏡(SEM)為表征手段，分別研究了反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、反應(yīng)組分和滴加速率對(duì)SiO2球的形貌和粒徑的影響。 2.在不影響SiO2光子晶體質(zhì)量的前提下，選取蒸發(fā)速度較快的丙酮作為分散劑，縮短了垂直沉積法制備SiO2光子晶體的周期。SiO2光子晶體[111]方向的光子帶隙涵蓋可見光波段，具有不完全帶隙性質(zhì)。通過基元粒徑的選擇可以實(shí)現(xiàn)光子帶隙的位置從紫光-紅光的調(diào)制，同時(shí)簡(jiǎn)單的

3、退火處理亦可實(shí)現(xiàn)光子帶隙的小范圍調(diào)制。 3.利用濕化學(xué)方法制備出了ZnO亞微米球，并對(duì)其結(jié)構(gòu)、形貌和光致發(fā)光性質(zhì)作了詳細(xì)研究。結(jié)構(gòu)測(cè)試表明ZnO為典型的纖鋅礦結(jié)構(gòu)。ZnO自由激子發(fā)射出現(xiàn)在390nm(3.18 eV)，同時(shí)在可見光域出現(xiàn)了525nm(綠光)、611nm(橙光)、686nm和725nm(紅光)發(fā)射峰。不同退火氣氛中的樣品研究表明：綠光發(fā)射是由于氧空位引起的，而可見光區(qū)域的其它發(fā)光主要是因?yàn)榧{米材料表面存在大量的表面

4、態(tài)引起的。 4.首次將發(fā)光中心Eu3+成功引入到ZnO球中，為光子探針研究光子帶隙性質(zhì)奠定基礎(chǔ)。在Eu3+：ZnO樣品中，除了由于ZnO中缺陷引起的發(fā)光外，還存在著Eu3+的5D0-7F2(617nm)能級(jí)躍遷發(fā)射，說明在Eu3+和ZnO之間存在著能量傳輸。隨著Eu3+含量的增加，ZnO缺陷態(tài)的發(fā)光和Eu3+的發(fā)光都在增強(qiáng)，同時(shí)在5％Eu3+：ZnO樣品中出現(xiàn)Eu3+新的發(fā)射峰(5D1-7F2,558nm)，這說明了Eu3+含量

5、的增加，一方面提高了Eu3+和ZnO之間能量傳輸?shù)男?，另一方面也使得ZnO結(jié)構(gòu)中的缺陷增多。另外，EU3+高能區(qū)的發(fā)射對(duì)激發(fā)光的能量非常敏感。最后結(jié)合實(shí)驗(yàn)，我們給出了Eu3+能級(jí)的相對(duì)位置以及ZnO與Eu3+之間的能量傳輸?shù)氖疽鈭D。 5.以乙酸作催化劑，實(shí)現(xiàn)了Eu3+·SiO2球的制備。形貌測(cè)試表明，我們制備的Eu3+·SiO2球具有規(guī)則的形狀和非常光滑的表面，明顯優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果，完全可以滿足光子晶體制備的要求。

6、6.建立了一種采用超聲法制備SiO2/ZnO核殼結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單方法，解決了氧化物難以實(shí)現(xiàn)包覆的問題。研究表明，由于Stober方法制備的SiO2球表面存在著大量的Si-OH集團(tuán)，在超聲或堿性環(huán)境下有利于Si-OH斷裂形成Si-O-鍵，SiO2球表面的活性增強(qiáng)，有利于ZnO材料的包覆。另外，利用浸潤(rùn)法將ZnO溶膠填充在SiO2光子晶體模板中，實(shí)現(xiàn)了SiO2/ZnO核殼結(jié)構(gòu)的制備。 7.利用聚苯乙烯(PS)球在水溶液中自組裝形成的光子晶