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SiO_2系列三维光子晶体的自组装制备与光学性质的研究

作　者: 闫刚印
导　师: 冯博学
学　校: 兰州大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 光子晶体胶体晶体自组装垂直沉积 core-shell结构
分类号: O734
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

自从光子晶体概念提出以来,由于其在光通讯及光集成方面具有重要的潜在应用价值,三维光子晶体的制备及研究就得到了广泛关注。科学工作者设计出了不同的光子晶体结构,包括蛋白石结构、Yablonovite结构、木堆积结构和SPn结构等,并相应地提出了不同的制备方法,包括自组装、离子束刻蚀、光电化学刻蚀、激光干涉光刻、双光子聚合法等。三维光子晶体制备中最重要的就是如何精确控制结构的周期性排布及避免各种非需要缺陷的出现。本论文主要是探索蛋白石结构及类蛋白石结构三维光子晶体(胶体晶体)及复合光子晶体的垂直沉积及电沉积制备,优化光子晶体基元大小及种类,并设计不同方法制备复合三维光子晶体,探索其光反射特性,研究其应用。利用各种手段,对样品的形貌、成份、结构和光学性能进行了测试和分析,得到了以下主要结果：1、SiO2光子晶体的单基片垂直沉积制备与光学性质研究利用改进的Stober法制备了粒径均一的单分散SiO2颗粒,采用分步生长法制备了粒径约为550m的单分散颗粒,并采用单基片垂直沉积制备出可见波段SiO2蛋白石光子晶体薄膜,研究了不同反应物浓度配比所得微球制备的光子晶体薄膜的光反射性能的差异以及退火对光反射性能的影响。2、不同条件垂直沉积制备SiO2光子晶体与光学性质研究制备了粒径约为200nm的单分散SiO2颗粒,在不同的光强照射、蒸发速度、插入方式(单基片、平行双基片)下制备了不同的SiO2光子晶体薄膜。对不同实验条件所得的样品形貌进行分析,得出了以下结论：在缓慢蒸发时,采用双平行基片(一基片经过处理带疏水膜)插入、黑暗条件下,可以有效地减少SiO2光子晶体薄膜中的各种缺陷。研究了最优条件下制备的SiO2光子晶体光学性质。3、膜厚可控SiO2光子晶体薄膜的制备与光学性质研究在同样悬浮液的浓度下,采用改进的双基片沉积法成功制备了不同膜厚的SiO2光子晶体薄膜,通过调节两基片间夹层厚度可以很好地控制样品薄膜厚度。不同厚度SiO2光子晶体的表面形貌也有一定的改变。同时,我们研究了不同厚度样品的光学性质。4、SiO2-NiO复合光子晶体的dip-coating法制备与光学性质研究利用SiO2光子晶体为模板,采用改进的dip-coating法成功制备出SiO2-NiO复合结构光子晶体,分析了复合光子晶体中缺陷产生的原因,研究了结构中缺陷对其光反射性能的影响。5、SiO2-ZnO复合光子晶体的电沉积制备与光学性质研究利用SiO2光子晶体为模板,采用电沉积和烧结处理在ITO基底上制备了SiO2-ZnO复合光子晶体。并研究和分析了电沉积时间对SiO2-ZnO复合光子晶体的形貌及光学性质的影响。6、SiO2-NiO及SiO2-ZnO复合光子晶体的coating-first法制备提出了coating-first法制备core-shell结构复合光子晶体的概念。通过该方法制备了SiO2-NiO及SiO2-ZnO复合光子晶体,采用扫描电镜研究了其样品形貌,并与dip-coating法制备出的样品进行比较,得出了两种不同方法制备出的复合光子晶体其缺陷有明显的不同。7、ZnO光子晶体的制备采用Eric W. Seelig所提出的两步法即种子液的方法制备ZnO微球,用垂直沉积的方法,制备了ZnO光子晶体薄膜。研究了在不同的实验条件下,所制备的ZnO胶体球的单分散性及颗粒的粒径等。

全文目录

中文摘要  3-5
Abstract  5-11
第一章绪论  11-46
  1.1 光子晶体的概念  11-12
  1.2 自然界中的例子  12-14
  1.3 光子晶体的特性  14-18
  1.4 光子晶体的应用  18-25
  1.5 光子晶体的种类  25-32
  1.6 光子晶体的制备方法  32-37
  1.7 光子晶体结构中的缺陷  37-39
  1.8 光子晶体能带计算方法  39-41
  1.9 自组装方法介绍  41-43
  1.10 自组装制备胶体晶体的优缺点  43-44
  1.11 论文选题和主要内容  44-46
第二章单基片垂直沉积制备SiO_2光子晶体与光学性质研究  46-59
  2.1 引言  46-47
  2.2 实验  47-52
    2.2.1 单分散SiO_2胶体颗粒的制备  47-49
    2.2.2 SiO_2光子晶体的垂直沉积制备  49-52
    2.2.3 样品的测试  52
  2.3 结果与讨论  52-58
    2.3.1 样品形貌  52-55
    2.3.2 样品光学性质  55-58
  2.4 本章小结  58-59
第三章不同条件垂直沉积制备SiO_2光子晶体与光学性质研究  59-69
  3.1 引言  59-60
  3.2 实验  60-62
    3.2.1 SiO_2胶体晶体的制备  60-62
    3.2.2 样品的测试  62
  3.3 结果与讨论  62-68
    3.3.1 样品形貌  62-67
    3.3.2 样品光学性质  67-68
  3.4 本章小结  68-69
第四章膜厚可控SiO_2光子晶体的制备与光学性质研究  69-83
  4.1 引言  69-70
  4.2 实验  70-71
    4.2.1 膜厚可控SiO_2胶体晶体的制备  70
    4.2.2 样品的测试  70-71
  4.3 结果与讨论  71-82
    4.3.1 基片间液面高度与夹层厚度关系定性分析  71-73
    4.3.2 样品形貌及膜厚  73-80
    4.3.3 样品光学性质  80-82
  4.4 本章小结  82-83
第五章 SiO_2-NiO复合光子晶体的制备与光学性质研究  83-88
  5.1 引言  83
  5.2 实验  83-84
    5.2.1 SiO_2-NiO复合光子晶体的制备  83-84
    5.2.2 样品的测试  84
  5.3 结果与讨论  84-87
    5.3.1 样品形貌  84-86
    5.3.2 样品物相分析  86
    5.3.3 样品光学性质  86-87
  5.4 本章小结  87-88
第六章 SiO_2-ZnO复合光子晶体的制备与光学性质研究  88-97
  6.1 引言  88
  6.2 实验  88-89
    6.2.1 SiO_2-ZnO复合光子晶体的制备  88-89
    6.2.2 样品的测试  89
  6.3 结果与讨论  89-96
    6.3.1 样品形貌  89-94
    6.3.2 样品光学性质  94-96
  6.4 本章小结  96-97
第七章 Core-Shell结构复合光子晶体的制备  97-103
  7.1 引言  97-98
  7.2 实验  98
    7.2.1 Core-Shell结构复合光子晶体的制备  98
    7.2.2 样品的测试  98
  7.3 结果与讨论  98-101
    7.3.1 样品形貌  98-101
  7.4 本章小结  101-103
第八章 ZnO微球基元及ZnO光子晶体的制备  103-120
  8.1 引言  103
  8.2 实验  103-105
    8.2.1 单分散ZnO微球的制备  103-104
    8.2.2 ZnO光子晶体的制备  104-105
    8.2.3 样品的测试  105
  8.3 结果与讨论  105-119
    8.3.1 ZnO微球的生长机理  105-106
    8.3.2 反应产物的物相分析  106-107
    8.3.3 样品形貌  107-119
  8.4 本章小结  119-120
第九章总结与展望  120-123
  9.1 主要结论  120-121
  9.2 论文的不足之处及后期工作展望  121-123
参考文献  123-137
在学期间的研究成果  137-138
致谢  138

SiO_2系列三维光子晶体的自组装制备与光学性质的研究

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