單分散SiO-,2-微球的改性制備及其光子晶體自組裝.pdf

1、光子晶體是指介電常數(shù)隨空間呈周期性變化的材料，存在光子帶隙，能夠調節(jié)光子的傳播狀態(tài)，是信息功能材料研究的前沿領域，具有廣闊的應用前景。目前，發(fā)展光子晶體的關鍵是制備可見光和近紅外波段的光子晶體。自組裝法，即將亞微米級單分散顆粒實現(xiàn)三維有序聚集組裝的方法，是制備光子晶體最有效的方法。而自組裝法中，垂直沉積法是最方便有效的方法，但是這種方法要求顆粒表面具有較高的電荷密度，因此如何提高顆粒表面的電荷密度成為研究的熱點。
　　 采用單分

2、散SiO2微球作為組裝光子晶體的組成基元，分別以鈉離子和甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷（MPS）為改性劑，對SiO2微球進行改性，提高微球的表面電荷密度、球間靜電排斥作用和在有機溶劑中的分散性，并采用垂直沉積法在無水乙醇溶液中自組裝制得可見光和近紅外波段的SiO2光子晶體。通過X射線衍射分析儀（XRD）、場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）、能量色散譜儀（EDS）、Zeta電位儀、紫外-可見-近紅外（UV/Vis/NIR）吸收光譜儀、傅立葉紅

3、外光譜儀（FT-IR）、X射線光電子能譜儀（XPS）等分析測試手段對SiO2微球和SiO2光子晶體的顯微結構、電學性能和光學性能進行了表征和研究，并對改性機理進行了詳細的討論。論文的主要研究成果如下。
　　 通過改進傳統(tǒng)Stober法，在乙醇介質中，以氨作催化劑，正硅酸乙酯（TEOS）為硅源，利用TEOS的水解和縮聚反應成功制備了粒徑在284nm～750nm范圍內，單分散性較好，表面光滑的SiO2球形顆粒。主要研究了催化劑氨水和

4、硅源TEOS的用量對SiO2微球粒徑大小和粒徑偏差的影響：隨著氨水用量的增加，SiO2微球的粒徑逐漸變大，且粒徑偏差減小。同樣，在一定范圍內增加TEOS的用量也可以得到粒徑大且粒徑偏差小的SiO2微球。
　　 為提高SiO2微球的表面電荷密度和球間靜電排斥作用，在改進Stober法制備單分散SiO2微球的基礎上，向反應體系中添加氯化鈉和金屬鈉，引入鈉離子，對SiO2微球進行改性。EDS能譜分析表明，在合成的SiO2微球中含有鈉元

5、素，這說明鈉離子參與了反應，進入了SiO2微球網絡結構，從而增加了SiO2微球的雙電層厚度，最終導致SiO2微球Zeta電位明顯提高。Zeta電位測試結果顯示，經鈉離子改性后，SiO2微球在無水乙醇溶液中的Zeta電位平均提高12.46mV，增加了20.5％。
　　 采用垂直沉積法在無水乙醇溶液中組裝出可見光和近紅外波段的SiO2光子晶體。利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）觀察SiO2光子晶體的顯微形貌和結構特點，利用UV/

6、Vis/NIR吸收光譜儀研究SiO2光子晶體的光子帶隙效應。結果表明：對比未改性的SiO2微球，鈉離子改性后的SiO2微球光子晶體有序性更好，相應的帶隙深且窄；所得到的SiO2光子晶體為FCC周期結構，表面為（111）晶面，呈正六邊形排列；SiO2微球粒徑的大小在吸收光譜中表現(xiàn)為帶隙中心位置的不同，且符合布拉格定律，對于經氯化鈉和金屬鈉改性后粒徑為380nm和3.54nm的SiO2微球，相應的光子帶隙位置分別在856nm和798nm處，

7、而且隨著入射光和光子晶體表面法線方向的夾角變大，光子帶隙發(fā)生藍移，說明SiO2光子晶體的光子帶隙為贗帶隙。
　　 為提高SiO2微球在有機溶劑中的分散性，采用一步法，以甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷（MPS）為改性劑，對SiO2微球的表面進行改性。傅立葉紅外光譜儀（FT-IR）和X射線光電子能譜儀（XPS）測試結果均表明制備出的SiO2微球表面接枝上了大量甲基丙烯酰氧基基團，從而抑制了SiO2微球在無水乙醇溶液中的團聚，有利于其組裝