反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體材料制備及性能研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、當(dāng)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(dǎo)、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

2、應(yīng)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(jìn)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

3、微球的層數(shù)越來越多。通過對PS微球蛋白石薄膜進(jìn)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(dāng)PS微球溶液濃度太大時,蛋白石薄膜容易脫落;但是,當(dāng)PS微球粒徑變大,PS微球溶液的濃度適當(dāng)變大不會導(dǎo)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

4、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SnO2分別呈現(xiàn)不同的色彩;相對于蛋白石細(xì)小的裂紋,反蛋白石SnO2裂紋明顯變大;宏觀上,反蛋白石SnO2呈現(xiàn)長程有序結(jié)

5、構(gòu);微觀上,反蛋白石SnO2由許多規(guī)則整齊的大孔和小孔組成。進(jìn)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(bǔ)。電子衍射表征表明,反蛋白石SnO2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(biāo)準(zhǔn)卡41-1445—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

6、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SnO2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SnO2,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340

7、nm、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(jìn)一步表征表明,其結(jié)構(gòu)、光學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)卡89-4921—致,為銳鈦礦型。通過對反

8、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?xì)怏w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(dāng)工作溫度升高時,SnO2氣體傳

9、感器的靈敏度增加,當(dāng)達(dá)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(dāng)工作溫度為312℃時,相較于參照樣,反蛋白石SnO2對500ppm甲醇的靈敏度最大,達(dá)到95;通過對傳感器氣敏響應(yīng)-恢復(fù)時間研究發(fā)現(xiàn),相較于參照樣,反蛋白石SnO2的響應(yīng)-恢復(fù)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(jī)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(jìn)行了選擇性測試,結(jié)果表明,反蛋白

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