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D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.s2.057 第29卷增刊2 北京科技大学学报 Vol.29 Suppl.2 2007年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2007 三维有序光子晶体制备及其光学表征 高建勋董洪荣孔祥华蔡敏敏杨穆 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要利用重力自组装方式获得了聚苯乙烯(Polystyrene,Ps)微球三维有序结构的光子晶体模板.借助毛细管力作用，将 BPS(B2O3P2OSiO2)溶胶填充到PS蛋白石模板，制备出层数可控的PS蛋白石及网状BPS反蛋白石模板：吸收及透射光谱 表明，光子带隙位置因PS固化时收缩而表现出较大幅度的蓝移.XRD衍射图表明BPS在烧结过程中，随温度升高，BPO4晶 相增加，将影响BPS骨架结构的介电常数 关键词蛋白石光子晶体：反蛋白石光子晶体：三维有序结构 分类号06 光子晶体(Photonic Crystal,PC)即光子带隙 研究所，中国天津)及IT0玻璃切割成10mm× (Photonic Band Gap,PBG)材料，其介电常数（或折 20mm小片，用无水乙醇超声清洗，置于无水乙醇中 射率)可被周期性调制，具有光子局域、抑制自发辐 待用 射等特点[冈)，光子晶体制备方法有模板法、微机 将硅片及T0玻璃取出，晾干，固定在与水平 器加工法，全息照相法等。目前，模板法最为常见， 面夹角15°左右，悬浮液被逐滴滴在硅片上，覆盖整 其关键是获得高度有序的三维蛋白石(Opal)模板， 个硅片表面，置于温度为40℃（相对湿度80%）恒温 然后以该蛋白石结构为骨架，填入特定的陶瓷等材 恒湿箱中，悬浮液在倾侧的基片上重力沉积，形成上 料，采用烧结或化学去除等方法，把蛋白石选择性去 薄下厚的一层液体膜层，随着液体的挥发，微球阵列 除，得到反蛋白石(Inverse opal)结构，在反蛋白石 生长，膜层逐渐变薄，顶部最先出现有序结构，微球 结构中，根据应用的需要，可以填入液晶、惰性气体 从上到下完成组装过程，得到PS蛋白石模板，利用 等材料，获得不同应用类型的光子晶体. 毛细管力将BPS溶胶填充到PS蛋白石模板空隙 国内外不少学者开展了光子晶体方面的研究， 中，再经过650℃高温煅烧选择性去除PS微球，得 尤以南京大学顾忠泽3]、华盛顿大学夏幼南]以 到BPS反蛋白石结构，将所制备的PS模板及BPS 及清华大学周济)等课题组的研究最具代表性， 反蛋白石模板在扫描电子显微镜(SEM,ZEISS 本文借鉴文献[8一10]的方法，并加以改进，利 SUPRA55,德国)下观察其表面微观形貌，用紫外透 用P$微球自组装，获得了高度有序的三维光子晶 射仪(Lambda950,美国)测定其带隙位置，XRD粉 体模板结构山，借用毛细管力将BPs[12(B2O3一 末衍射仪(DMAX-RB12KW,日本)测定BPS反蛋 P2OSi02)溶胶填充到PS蛋白石模板空隙中，制 白石衍射特征 备出网状的BPS反蛋白石骨架结构，并测定其光子 带隙峰位移，考察BPS在烧结过程中BPO4晶相的 2结果与讨论 生长趋势 2.1PS蛋白石模板 1 实验 从图1(a)中可以看出，PS微球模板最常见的生 长方式是沿平行于基板的fce结构(111)面生长，微 将10%（体积分数）的320nmPS微球(Bangs 球呈现出规则的六角密堆积，其堆积系数f=Va Lab,USA)均匀分散在去离子水中，稀释至1%，超 Vcl=0.74,PS微球自组装过程中，水（乙醇）挥发 声波振荡形成乳白色均匀稀释的悬浮液，置于瓶中 产生的引力使微球自然靠近，同时，因微球自然靠近 待用，将抛光硅片(N型，电子科技集团公司第十四 又会产生相互斥力，这两种力的共同作用，决定了沿 收稿日期：2007-09-18 fcc结构(111)方向生长， 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。,50502007)及北京科技 利用此种方法制备的PS蛋白石可以是几层到 大学开放实验室基金资助项目 作者简介：高建勋(1975一)，男，讲师，博士 几十层结构，图1(b)为4层PS微球断面结构SEM三维有序光子晶体制备及其光学表征 高建勋 董洪荣 孔祥华 蔡敏敏 杨 穆 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 摘 要 利用重力自组装方式获得了聚苯乙烯（PolystyrenePS）微球三维有序结构的光子晶体模板．借助毛细管力作用将 BPS（B2O3－P2O5－SiO2）溶胶填充到 PS 蛋白石模板制备出层数可控的 PS 蛋白石及网状 BPS 反蛋白石模板．吸收及透射光谱 表明光子带隙位置因 PS 固化时收缩而表现出较大幅度的蓝移．XRD 衍射图表明 BPS 在烧结过程中随温度升高BPO4 晶 相增加将影响 BPS 骨架结构的介电常数． 关键词 蛋白石光子晶体；反蛋白石光子晶体；三维有序结构 分类号 O6 收稿日期：2007-09-18 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50502007）及北京科技 大学开放实验室基金资助项目 作者简介：高建勋（1975－）男讲师博士 光子晶体（Photonic CrystalPC）即光子带隙 （Photonic Band GapPBG）材料其介电常数（或折 射率）可被周期性调制具有光子局域、抑制自发辐 射等特点［1－2］．光子晶体制备方法有模板法、微机 器加工法全息照相法等．目前模板法最为常见 其关键是获得高度有序的三维蛋白石（Opal）模板 然后以该蛋白石结构为骨架填入特定的陶瓷等材 料采用烧结或化学去除等方法把蛋白石选择性去 除得到反蛋白石（Inverse opal）结构．在反蛋白石 结构中根据应用的需要可以填入液晶、惰性气体 等材料获得不同应用类型的光子晶体． 国内外不少学者开展了光子晶体方面的研究 尤以南京大学顾忠泽［3－4］、华盛顿大学夏幼南［5－6］以 及清华大学周济［7］等课题组的研究最具代表性． 本文借鉴文献［8－10］的方法并加以改进利 用 PS 微球自组装获得了高度有序的三维光子晶 体模板结构［11］．借用毛细管力将 BPS ［12］ （B2O3－ P2O5－SiO2）溶胶填充到 PS 蛋白石模板空隙中制 备出网状的 BPS 反蛋白石骨架结构并测定其光子 带隙峰位移考察 BPS 在烧结过程中 BPO4 晶相的 生长趋势． 1 实验 将10％（体积分数）的320nm PS 微球（Bangs LabUSA）均匀分散在去离子水中稀释至1％超 声波振荡形成乳白色均匀稀释的悬浮液置于瓶中 待用．将抛光硅片（N 型电子科技集团公司第十四 研究所中国天津）及 ITO 玻璃切割成10mm × 20mm小片用无水乙醇超声清洗置于无水乙醇中 待用． 将硅片及 ITO 玻璃取出晾干固定在与水平 面夹角15°左右．悬浮液被逐滴滴在硅片上覆盖整 个硅片表面置于温度为40℃（相对湿度80％）恒温 恒湿箱中悬浮液在倾侧的基片上重力沉积形成上 薄下厚的一层液体膜层随着液体的挥发微球阵列 生长膜层逐渐变薄顶部最先出现有序结构微球 从上到下完成组装过程得到 PS 蛋白石模板．利用 毛细管力将 BPS 溶胶填充到 PS 蛋白石模板空隙 中再经过650℃高温煅烧选择性去除 PS 微球得 到 BPS 反蛋白石结构．将所制备的 PS 模板及 BPS 反蛋白石模板在扫描电子显微镜（SEMZEISS SUPRA55德国）下观察其表面微观形貌用紫外透 射仪（Lambda950美国）测定其带隙位置XRD 粉 末衍射仪（DMAX－RB12KW日本）测定 BPS 反蛋 白石衍射特征． 2 结果与讨论 2∙1 PS 蛋白石模板 从图1（a）中可以看出PS 微球模板最常见的生 长方式是沿平行于基板的 fcc 结构（111）面生长微 球呈现出规则的六角密堆积其堆积系数 f ＝ V Bal／l V Cell＝0∙74．PS 微球自组装过程中水（乙醇）挥发 产生的引力使微球自然靠近同时因微球自然靠近 又会产生相互斥力这两种力的共同作用决定了沿 fcc 结构（111）方向生长． 利用此种方法制备的 PS 蛋白石可以是几层到 几十层结构．图1（b）为4层 PS 微球断面结构 SEM 第29卷 增刊2 2007年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29Suppl．2 Dec．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．s2．057