第7期 王晓冬等：垂直沉积法组装二元聚苯乙烯胶粒晶体 ·941· 15kyX15,0001pm 1030sE 15kyX15,0001pm 10 30 SEI 15kVX15,000 1030sE 图4不同粒径比下Ps二元胶粒晶体的扫描电镜图.(a)5.73:(d)4.82:(c)3.62:(d)2.44 Fig.4 SEM images of PS binary colloidal crystals at different size ratios:(a)5.73:(d)4.82:(c)3.62:(d)2.44 的前提条件之一. 2.3质量比对PS二元胶粒晶体组装花样的影响 图6显示的是不同质量比下PS二元胶粒晶体 的组装花样.大球粒径为(733±13)nm,粒径比y 为4.82.图6中(a)~(d)所对应的两种微球的质 量比p分别为85：15、80：20、60：40和50：50.大球 在悬浮液中的质量分数为C为0.3%.二次蒸馏水 作为分散介质，组装温度T为60℃. 从图6中可以看出，质量比p为85：15和80： 图5fc排列的4个大球与其孔隙内小球相切示意图（粒径比 d1/ds=4.45) 20时，二元S胶粒晶体中大小球均呈现有序排列， Fig.5 Fcc stacked schematic of four larger spheres that are tangent 其中大球呈现fcc有序排列.当质量比p为60：40 to a small sphere in their pore (the size ratio di/ds =4.45) 和50：50时，二元PS微球组装体中两种胶体微球均 呈现无序排列.由此可见，两种PS胶体微球在悬浮 按照fcc密堆积排列.小球再在大球fcc排列形成的 液中的质量比对二元PS胶粒晶体的组装花样也有 骨架上进行有序排列.那么对于图4(c)和(d)两种 着重要的影响. 情况而言，粒径比y均小于yc,这种情况下大球的 对于fcc形式密堆积一元胶粒晶体结构单元而 组装将受到小球的影响.即3个大球组装在一起，1 言，其中微球所占的体积分数为74%，微球间隙的 个小球刚好组装在3个大球形成凹陷处后，第4个 体积分数为26%（如图7所示)，微球与其间隙的 大球仅仅能够同时与其他2个大球相接触，却无法 体积比为74：26.对于二元PS胶体微球在悬浮液中 与第3个大球接触，亦即小球有可能将进行fcc排 而言，其质量比就相当于体积比，因此本文将这个 列的4个大球撑开.如此而言，4个大球就无法形成 74:26的体积比称之为二元PS胶体微球悬浮液的 fcc形式的密堆积有序排列，从而呈现大小球均匀混 临界质量比pc·对于图6(a)和(b),其悬浮液中两 杂在一起，并呈无序排列的状况.以上分析表明，垂 种PS胶体微球的质量比p均大于临界质量比Pc· 直沉积法进行二元PS胶体微球组装时，所选两种微 在这样的条件下，两种PS微球在基片表面垂直沉积 球的粒径比大于临界粒径比yc是形成fcc有序排列 组装时，可以满足大球fcc密堆积有序排列所要求第 7 期 王晓冬等: 垂直沉积法组装二元聚苯乙烯胶粒晶体 图 4 不同粒径比下 PS 二元胶粒晶体的扫描电镜图． ( a) 5. 73; ( d) 4. 82; ( c) 3. 62; ( d) 2. 44 Fig． 4 SEM images of PS binary colloidal crystals at different size ratios: ( a) 5. 73; ( d) 4. 82; ( c) 3. 62; ( d) 2. 44 图 5 fcc 排列的 4 个大球与其孔隙内小球相切示意图( 粒径比 dL /dS = 4. 45) Fig． 5 Fcc stacked schematic of four larger spheres that are tangent to a small sphere in their pore ( the size ratio dL /dS = 4. 45) 按照 fcc 密堆积排列． 小球再在大球 fcc 排列形成的 骨架上进行有序排列． 那么对于图 4( c) 和( d) 两种 情况而言，粒径比 γ 均小于 γC，这种情况下大球的 组装将受到小球的影响． 即 3 个大球组装在一起，1 个小球刚好组装在 3 个大球形成凹陷处后，第 4 个 大球仅仅能够同时与其他 2 个大球相接触，却无法 与第 3 个大球接触，亦即小球有可能将进行 fcc 排 列的 4 个大球撑开． 如此而言，4 个大球就无法形成 fcc 形式的密堆积有序排列，从而呈现大小球均匀混 杂在一起，并呈无序排列的状况． 以上分析表明，垂 直沉积法进行二元 PS 胶体微球组装时，所选两种微 球的粒径比大于临界粒径比 γC是形成 fcc 有序排列 的前提条件之一． 2. 3 质量比对 PS 二元胶粒晶体组装花样的影响 图 6 显示的是不同质量比下 PS 二元胶粒晶体 的组装花样． 大球粒径为( 733 ± 13) nm，粒径比 γ 为 4. 82． 图 6 中( a) ～ ( d) 所对应的两种微球的质 量比 φ 分别为 85∶ 15、80∶ 20、60∶ 40 和 50∶ 50． 大球 在悬浮液中的质量分数为 CL为 0. 3% ． 二次蒸馏水 作为分散介质，组装温度 T 为 60 ℃ ． 从图 6 中可以看出，质量比 φ 为 85∶ 15 和 80∶ 20 时，二元 PS 胶粒晶体中大小球均呈现有序排列， 其中大球呈现 fcc 有序排列． 当质量比 φ 为 60∶ 40 和 50∶ 50 时，二元 PS 微球组装体中两种胶体微球均 呈现无序排列． 由此可见，两种 PS 胶体微球在悬浮 液中的质量比对二元 PS 胶粒晶体的组装花样也有 着重要的影响． 对于 fcc 形式密堆积一元胶粒晶体结构单元而 言，其中微球所占的体积分数为 74% ，微球间隙的 体积分数为 26% ( 如图 7 所示) ，微球与其间隙的 体积比为 74∶ 26． 对于二元 PS 胶体微球在悬浮液中 而言，其质量比就相当于体积比，因此本文将这个 74∶ 26 的体积比称之为二元 PS 胶体微球悬浮液的 临界质量比 φC ． 对于图 6( a) 和( b) ，其悬浮液中两 种 PS 胶体微球的质量比 φ 均大于临界质量比 φC ． 在这样的条件下，两种 PS 微球在基片表面垂直沉积 组装时，可以满足大球 fcc 密堆积有序排列所要求 · 149 ·