SiO-,2--Ag-SiO-,2-核殼結構亞微米微球制備及其密堆結構組裝與性能研究.pdf

1、本文旨在制備和研究介質-金屬核殼結構的亞微米球體、金屬基光子晶體結構和光子禁帶性質，以期制備一類新型的具有光學和近紅外波段光子帶隙的金屬基光子晶體。 論文評述了光子晶體理論及其制備的研究進展和熱點方向、面臨的主要問題及其解決思路，以及光子晶體的應用和發(fā)展前景。應用透射電鏡(TEM)、掃描電鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)、紫外可見光譜(UV-Vis)、X射線光電子能譜(XPS)、X射線能譜(EDS)等綜合實驗手段，研究了亞微米

2、SiO2微球、銀包覆SiO2微球(SiO2@Ag)、表面包覆SiO2介質膜的SiO2@Ag微球(SiO2@Ag@SiO2)等光子晶體基元的制備方法及工藝，制備了能滿足光子晶體要求的高圓度、單分散、窄分布、粒徑可控的組成基元。 采用sol-gel技術研究了光子晶體用亞微米SiO2微球的制備方法。發(fā)現了體系組成、pH值及TEOS濃度等工藝條件敏感而交互地影響SiO2微球形成及其形態(tài)、尺寸、分布與單分散性，難于制備符合光子晶體綜合要求

3、的SiO2微球。研究和建立了一種通過控制SiO2種子“數密度”和分步添加TEOS以有效控制其濃度、改變生長環(huán)境的亞微米SiO2微球制備新工藝；成功制備了兼具有高圓度、單分散、窄粒徑分布(＜3％)、尺寸可調、結構致密的亞微米SiO2微球。研究建立了在亞微米SiO2微球表面均勻包覆納米金屬銀層的濕化學制備方法。確認納米銀沉積是基于成核-生長機制，對不同反應步驟分別實施有效控制是獲得致密均勻覆蓋納米銀層的關鍵和難點。基此研究提出了一種成核-生

4、長分離控制的亞微米微球表面納米銀包覆層制備新方法；成功制備出覆蓋度高、均勻致密、介質常數對比大的高質量金屬基光子晶體組成基元材料(SiO2@Ag)仔細研究了亞微米SiO2微球表面銀的成核-生長過程和動力學規(guī)律及其對納米銀層覆蓋度、厚度和均勻性的關聯及控制技術；給出了納米銀沉積和厚度控制的精確工藝以及銀層厚度與SiO2@Ag球體數密度，實現了表面銀層厚度在5～2Onm范圍內的可控調節(jié)。XRD、EDS、XPS和TEM綜合表征確認銀層為單質納

5、米銀。 研究建立了亞微米SiO2@Ag微球表面包覆納米SiO2膜的濕化學制備技術，研究探明了SiO2@Ag微球表面化學改性對形成均勻致密的SiO2介質膜、抑制SiO2@Ag團聚及Ag層溶解脫落的關鍵作用與原因。提出了一種利用APS和PVP復合改性的SiO2@Ag微球表面沉積SiO2介質膜的方法，闡述了復合改性的機理，在SiO2@Ag微球表面獲得了均勻致密、厚度可控的SiO2膜，成功制備了能滿足光子晶體要求的高圓度、單分散、窄粒徑

6、分布的SiO2@Ag@SiO2金屬光子晶體制備基元為利用自組裝技術制備金屬基光子晶體提供了材料基礎。 仔細研究了提拉自組裝光子晶體的組裝機理和過程，提出溶液中球體的排列組裝是從基板與液面接觸的彎月面區(qū)開始的，隨著提拉和溶劑蒸發(fā)，微球不斷向形成區(qū)輸運，體積分數增加，在接近球密堆積填充系數(74％)前某一數值時出現“相變”，進一步的蒸發(fā)、干燥則伴隨著球體排列重整和致密化過程。據此通過控制溫度、濕度、球體體積分數等自組裝工藝條件，可制

7、備塊體尺寸厘米級、“單晶”尺寸百微米級、缺陷較少的SiO2光子晶體。 利用SiO2@Ag@SiO2球體采用提拉自組裝技術制備了較高周期性的金屬基光子晶體，在可見光波段實現了非完全光子禁帶，同時SiO2@Ag@SiO2球體折射率的增大影響了光子禁帶，發(fā)現SiO2@Ag@SiO2基光子晶體的光子禁帶產生紅移。SiO2@Ag@SiO2光子晶體的光子禁帶的展寬，隨著納米銀包覆層厚度的增加而增大。在900nm以下的波段的光子晶體的光譜中，