·158- 北京科技大学学报 2002年第2期 1.3在新介质中制备人工欧泊 方式排列是最稳定的.H Miguez!等通过对人工 以往的研究多用水作介质制备二氧化硅 欧泊内部显微形貌的实验研究，证实了二氧化 光子晶体，本文选择乙醇为介质.与水相比， 硅球在水溶液中自然沉降的结果为类fcc型晶 乙醇使二氧化硅球的沉降速度稍有提高（以 体结构.本实验通过对在乙醇介质中合成人工 252 nm SiO2微球为例，v=0.11mmh',vz=0.13 欧泊的显微形貌观测，也证实了其为类面心立 mmh',但乙醇的密度(0.785gcm-3)比水 方结构. (0.997g·cm3)低，在相同悬浮液浓度下，分别选 本试验使用Cambridge Stereoscan250MK2 择乙醇和水作介质制备相同厚度样品所需沉降 扫描电子显微镜对人工欧泊进行了表征.图2 时间差别是不大的.乙醇作介质的主要优势在 是样品上表面的SEM像.三角形排列对应的或 于：它的表面张力(oz醇=22.1N·m)不及水(o水= 者是fcc结构的(111)面，或者是六角密堆结构 72.75N·m1)的1/3，所以颗粒在乙醇介质中的 的(001)面.为了确定其真实的堆积方式，必须 分散性要好，沉降过程中颗粒不易团聚；更重要 研究其内部的排列.图3是样品解理后获得的 的是颗粒落下后，由于乙醇表面张力比水小，颗 侧面形貌像.在图3中，能够清楚地观察到球形 粒在生长表面弛豫过程中，使自由能趋于最低 颗粒的正方形排列，它只能对应于类fcc结构的 点，这样干燥后的样品生长面平整度好，即有序 {100}面.在六方密堆结构中没有这样排列的面 性更好.另外，胶体球堆积体在自然干燥过程 存在.图4则显示了内部{111}型面的部分，它 中，乙醇比水挥发快，所以选择乙醇作介质，胶 们等同于生长面，但取向与生长面不同，类hcp 体的自然干燥速度要快些.基于以上考虑，本实 结构的面不可能提供这样的堆积.从图4中还 验选择乙醇作介质，用Stober法制得的252nm 可看到类fcc结构中{111}面与一个{100}面形 SO2微球作为悬浮颗粒，悬浮液质量分数为2%. 成的台阶.图5(a)和(b)则是图2、3这2种排列的 将胶体悬浮液倒入模具中，然后将模具置于平 长程有序图像.综合图2-5说明欧泊侧面已经 稳、干净处静放，让悬浮液中的SO2微颗粒缓慢 自然沉降.沉降结束后，用注射器小心移去上部 清液，样品在室温下完全干燥后获得素坯样品. 在素坯中，小球之间是依靠范得华力结合，强度 较低.制备厚度约0.lmm的人工欧泊，平均需用 2周多的时间.将干样品置于白炽灯下，变换观 察角度，可以看到衍射色从绿到红变化 2人工欧泊显微形貌观测与光学表 征 图2样品表面(11)的SEM像 在人工欧泊制备过程中，随着溶剂的蒸发， Fig.2 SEM image of the top(111)surface of a sample made from 252 nm spheres 二氧化硅胶体球的类晶排布逐渐向固相转变， 体积填充分数由约40%过渡到76%.二氧化硅 胶体球的三维排布是否保持类fcc结构是确定 人工欧泊的必要条件 2.1人工欧泊的显微形貌 二氧化硅胶体在向固态转变过程中，浮力 和库仑力变得越来越小，当缓慢蒸发时，二氧化 硅球晶化可看成硬球的堆积网.二氧化硅球可能 的组装方式有：面心立方结构、六角密堆结构 或这种结构的混合和随机堆垛.为了确定哪种 图3人工欧泊侧面的SEM像，正方形排列对应着{100}面 堆积结构是热力学稳定相（即自由能最低），最 Fig.3 SEM image of a lateral part of the artificial opal 近，Woodcock!通过计算机模拟指出：硬球按fcc square alignment corresponds to a{100)surface