SiO-,2--Ag-SiO-,2-核殼結(jié)構(gòu)亞微米微球制備及其密堆結(jié)構(gòu)組裝與性能研究.pdf

1、本文旨在制備和研究介質(zhì)-金屬核殼結(jié)構(gòu)的亞微米球體、金屬基光子晶體結(jié)構(gòu)和光子禁帶性質(zhì)，以期制備一類新型的具有光學(xué)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(jìn)展和熱點(diǎn)方向、面臨的主要問題及其解決思路，以及光子晶體的應(yīng)用和發(fā)展前景。應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(zhì)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(shù)研究了光子晶體用亞微米SiO2微球的制備方法。發(fā)現(xiàn)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(shù)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(diào)、結(jié)構(gòu)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(xué)制備方法。確認(rèn)納米銀沉積是基于成核-生長機(jī)制，對不同反應(yīng)步驟分別實(shí)施有效控制是獲得致密均勻覆蓋納米銀層的關(guān)鍵和難點(diǎn)?；搜芯刻岢隽艘环N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(zhì)常數(shù)對比大的高質(zhì)量金屬基光子晶體組成基元材料(SiO2@Ag)仔細(xì)研究了亞微米SiO2微球表面銀的成核-生長過程和動(dòng)力學(xué)規(guī)律及其對納米銀層覆蓋度、厚度和均勻性的關(guān)聯(lián)及控制技術(shù)；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(shù)密度，實(shí)現(xiàn)了表面銀層厚度在5～2Onm范圍內(nèi)的可控調(diào)節(jié)。XRD、EDS、XPS和TEM綜合表征確認(rèn)銀層為單質(zhì)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(xué)制備技術(shù)，研究探明了SiO2@Ag微球表面化學(xué)改性對形成均勻致密的SiO2介質(zhì)膜、抑制SiO2@Ag團(tuán)聚及Ag層溶解脫落的關(guān)鍵作用與原因。提出了一種利用APS和PVP復(fù)合改性的SiO2@Ag微球表面沉積SiO2介質(zhì)膜的方法，闡述了復(fù)合改性的機(jī)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(shù)制備金屬基光子晶體提供了材料基礎(chǔ)。 仔細(xì)研究了提拉自組裝光子晶體的組裝機(jī)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(yùn)，體積分?jǐn)?shù)增加，在接近球密堆積填充系數(shù)(74％)前某一數(shù)值時(shí)出現(xiàn)“相變”，進(jìn)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(jù)此通過控制溫度、濕度、球體體積分?jǐn)?shù)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(shù)制備了較高周期性的金屬基光子晶體，在可見光波段實(shí)現(xiàn)了非完全光子禁帶，同時(shí)SiO2@Ag@SiO2球體折射率的增大影響了光子禁帶，發(fā)現(xiàn)SiO2@Ag@SiO2基光子晶體的光子禁帶產(chǎn)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，