光子晶體用結(jié)構(gòu)基元的制備、自組裝與性能.pdf

1、光子晶體由于具有獨(dú)特的調(diào)節(jié)光子傳播狀態(tài)的功能，是光電集成、光子集成和光通信的基礎(chǔ)材料。本論文主要研究了單分散SiO2微球、SiO2@CdS核殼微球和CdS空心球等光子晶體用結(jié)構(gòu)基元的制備方法，采用多種自組裝手段制備了SiO2蛋白石和CdS反蛋白石光子晶體，結(jié)合理論計(jì)算研究了它們的光學(xué)性質(zhì)，并建立了在光子晶體中引入可控缺陷的方法，最后研究了光子探針的制備及光學(xué)性質(zhì)。論文的主要?jiǎng)?chuàng)新性結(jié)果如下： 1.制備了粒徑范圍涵蓋廣(150nm-

2、1μm)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5.0％的SiO2微球。以不同粒徑的SiO2微球?yàn)榻Y(jié)構(gòu)基元，采用重力沉積、離心沉積和垂直提拉沉積等自組裝手段制備了可見波段蛋白石光子晶體。以表面具有微米級(jí)周期圖案的硅片為襯底，采用垂直提拉法多次生長，在蛋白石光子晶體內(nèi)部制備了可控的人工微缺陷。 2.建立了一種采用超聲輔助化學(xué)水浴沉積制備SiO2微球表面包覆CdS的核殼微球(定義為SiO2@CdS)的新方法。該方法簡單快捷，無需對(duì)SiO2球表面化學(xué)改性，

3、CdS殼層致密均勻且厚度可控，溶液中無游離CdS顆粒。采用稀釋的HF酸將SiO2@CdS核殼微球中的SiO2內(nèi)核擇優(yōu)腐蝕后，制備了單分散CdS空心球。所得CdS空心球具有較高折射率(n=2.45)和高空占比，粒徑相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5.0％，殼層厚度(10nm-60nm)可控，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，是一類新型的半導(dǎo)體基光子晶體結(jié)構(gòu)基元。采用離心沉積法自組裝，分別制備了由SiO2@CdS核殼微球和CdS空心球組成的面心立方光子晶體。 3.建立了一

4、種無模板直接制備CdS反蛋白石光子晶體的新方法。先將CdS空心球自組裝成面心立方光子晶體，然后在400℃下熱處理，使CdS空心球收縮，得到了具有高填充率的CdS反蛋白石光子晶體。該方法打破了采用蛋白石模板來制備反蛋白石光子晶體的傳統(tǒng)，直接以高折射率材料為結(jié)構(gòu)基元自組裝制備三維光子晶體，避免了模板法中復(fù)雜的填充過程和破壞性的模板去除過程。微區(qū)反射光譜表明：由直徑為400nm的CdS空心球組成的反蛋白石光子晶體在530nm和920nm附近存

5、在兩個(gè)[111]方向性帶隙，與光子能帶的理論計(jì)算結(jié)果相符。 4.建立了一種在CdS反蛋白石光子晶體制備可控點(diǎn)缺陷的新方法。在環(huán)境掃描電鏡樣品腔中引入一定壓強(qiáng)(10Pa-100Pa)的氣體，利用聚焦納米電子束進(jìn)行精密照射，實(shí)現(xiàn)了對(duì)CdS反蛋白石光子晶體中單個(gè)“原子”的精密控制，在反蛋白石光子晶體中可控制備了空位缺陷和雜質(zhì)缺陷。研究了缺陷形成機(jī)理，并證實(shí)了該方法在其它材料光子晶體中制備可控點(diǎn)缺陷的可行性。5.建立了一種制備稀土摻雜發(fā)

6、光微球的普遍方法。將SiO2@CdS核殼微球分散到三價(jià)稀土離子鹽溶液中，利用SiO2@CdS核殼微球帶負(fù)電的多孔CdS外殼層作為稀土離子載體，將稀土離子吸附到核殼微球中。通過改變稀土離子的種類(如Tb3+，Eu3+，Nd3+，Er3+等)或共摻雜(如Tb3+和yb3+)，制備了在可見波段及近紅外波段多個(gè)波段發(fā)光的微球。所得微球粒徑均勻、發(fā)光強(qiáng)，發(fā)光峰豐富且尖銳，發(fā)光強(qiáng)度不隨電子束照射而衰退。 6.采用超聲化學(xué)法在較低溫度下(＜8

7、0℃)制備了粒徑均勻的ZnO發(fā)光橄欖球。系統(tǒng)研究了有機(jī)添加劑三乙醇胺的濃度和反應(yīng)溫度對(duì)ZnO橄欖球形成的影響，通過改變?nèi)掖及返臐舛葘?duì)ZnO橄欖球的形貌進(jìn)行了調(diào)控。發(fā)現(xiàn)在較低的溫度(～200℃)下熱處理可以顯著增強(qiáng)ZnO的紫外發(fā)光(～385nm)。研究表明這種異常的紫外發(fā)光增強(qiáng)現(xiàn)象與ZnO橄欖球中的水脫附和氫鈍化有關(guān)。建立了一種采用電子束ZnO上精密繪制亞微米紫外發(fā)光圖案的方法，不但直接在ZnO薄膜上繪制了亞微米級(jí)的紫外發(fā)光文字圖案，還