反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體材料制備及性能研究.pdf

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