专利名称：一种氧化锌三维光子晶体的自组装制备方法
技术领域：
本发明属于光子晶体制备技术领域，尤其涉及一种氧化锌三维光子晶体的自组装制备方法，即利用氧化锌纳米颗粒之间存在的相互作用力形成纳米颗粒的三维周期结构的方法。
背景技术：
光子晶体是一种人造的、具有周期介电常数结构的晶体，它最基本的性质是具有光子带隙结构，即一定波长范围内的光在光子晶体内被禁止，这使得光子晶体能够在微米尺度下对光进行有效控制，因而光子晶体能够在光电集成之中得以应用。氧化锌是一个宽电子带隙的半导体，其光学吸收峰在380nm附近，该材料在近红外至可见光波长范围内(0.4-2μm)透明，因此使用氧化锌光子晶体制作的光器件可以大大的降低材料本身对传输光的吸收。由于实际的传输光是三维的，利用一维、二维材料制备的器件在其它方向上可能产生较大的泄漏，而使得光路的损耗增加，采用三维的光子晶体能够更有效地降低由于泄漏而导致的传输损耗。因此，氧化锌三维光子晶体的制备与研究有着十分重大的意义。
光子晶体的制备通常采用两种方法，一种是在光刻胶材料中用多束入射角度不同的相干光曝光的方法制备，所需的设备昂贵、庞大；另一种是采用自组装的方法制备。自组装生长技术是目前在形成分子和纳米颗粒有序结构中最常用的技术，它具有设备要求较低、工艺流程相对简单等优点，其应用对象通常是同种分子和尺寸均匀的纳米颗粒。在利用自组装技术制备有序(周期)结构时，分子之间或纳米颗粒之间必须要有相对较强(相对于分子或纳米颗粒之间的其它相互作用)的吸引相互作用，在分子自组装技术中利用的是分子之间的静电吸引相互作用(极性分子)或范德瓦尔斯力(非极性分子)，而纳米颗粒的自组装通常是利用范德瓦尔斯力来满足。由于这种相互作用较弱，所制备出的样品机械强度较差，很难进行再加工，重复性差，并且制备一个样品通常需要几天的时间。要解决这些问题，寻找较强的合适的相互作用力十分关键。
发明内容
为了在纳米颗粒间获得较强的合适的相互作用力，使得制备出的光子晶体具有较好的机械强度和稳定性，便于再加工并降低工艺成本，本发明提出了一种用特殊的技术来实现纳米颗粒之间的较强相互作用，从而方便、可控生长氧化锌纳米周期阵列(光子晶体)的方法。
本发明首先制备得到了尺寸均匀的纳米颗粒，这是进行纳米颗粒自组装的首要条件。在利用氧化锌纳米颗粒制备有序周期结构的过程中，采用了一种特殊的技术来实现纳米颗粒之间的较强相互作用，主要思想如下氧化锌纳米颗粒在溶液中生长时，会不断地从溶液中吸引材料分子生长变大，在颗粒和材料分子间存在一定的吸引相互作用。挥发溶剂使整个溶液中的氧化锌分子处于过饱和状态，这时溶剂中的饱和氧化锌分子将必处于形核或生长过程之一，控制温度条件使得生长过程成为主要过程。在上述工艺条件下，整个溶液中的氧化锌纳米颗粒会吸引附近的氧化锌分子而长大；随着溶剂的挥发，溶液中的纳米颗粒间的平均距离越来越小，到一定距离后两个纳米颗粒会同时吸引它们之间的氧化锌分子，从而间接地使得两个纳米颗粒之间产生较强的吸引相互作用，这种相互作用远强于纳米颗粒之间的范德瓦尔斯力。由于组装的所有对象完全相同，因而其相互作用能随颗粒间距离变化的曲线也相同，进而其能量最小值也相同。降低外界对自组装系统的干扰，使之远小于颗粒间的相互作用，并给每个颗粒以足够的动能和时间，使之“找到”其能量最低的位置。由于所有颗粒的能量最低位置是完全等价的，因此当它们都处于各自的能量最低位置时，所有颗粒则在大范围内呈现出周期性的有序结构，从而制得氧化锌光子晶体。
本发明所述的具体方案如下一种氧化锌三维光子晶体的自组装制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤1)将均匀尺寸的氧化锌纳米颗粒均匀散布在含有氧化锌分子的溶液中，经搅拌获得氧化锌微球和分子的混合溶液；2)将混合溶液滴在纳米级平整的衬底上并加热使溶剂挥发；3)将溶液温度控制在150～180℃，氧化锌纳米颗粒之间存在的相互作用力将最终在衬底上制备出密排面心立方结构的氧化锌三维纳米光子晶体。
本发明所述纳米级平整的衬底采用硅片材料、玻璃材料、石英材料或三氧化二铝材料。
本发明的有益效果是，无需昂贵的设备，能在几十分钟内大面积制备出成品，效率高，重复性好，从而可以大大降低器件的生产成本和周期，并且所制备出的光子晶体具有较好的机械强度。目前已能成功地将尺寸均匀的氧化锌纳米颗粒在衬底上密排成面心立方结构的光子晶体薄膜，并且在多种衬底上制备出了氧化锌三维光子晶体。
图1是氧化锌纳米光子晶体试样表面的扫描电子显微镜照片。
图2是氧化锌纳米光子晶体试样截面的扫描电子显微镜照片。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1将购买或制备得到的直径为200nm、尺寸均匀的氧化锌颗粒均匀散布(可采用超声方法)在含有氧化锌分子的溶液中，经搅拌获得氧化锌微球和分子的混合溶液。将混合溶液滴在商品化纳米级平整的硅片衬底上，加热使溶剂挥发。将溶液温度保持在150℃，利用氧化锌纳米颗粒之间的相互作用力，即在衬底上制备出密排结构的氧化锌三维纳米光子晶体，平均粒径为200nm。
实施例2将制备得到的直径为250nm、尺寸均匀的氧化锌颗粒均匀散布在含有氧化锌分子的溶液中，经搅拌获得氧化锌微球和分子的混合溶液。将混合溶液滴在商品化纳米级平整的玻璃衬底上，加热使溶剂挥发。并将溶液温度保持在180℃，利用氧化锌纳米颗粒之间的相互作用力，即在衬底上制备出密排结构的氧化锌三维纳米光子晶体，平均粒径为300nm。
由图1、图2可见，氧化锌纳米颗粒在三维方向上排列成有序结构，颗粒的平均直径为300nm。
实施例3将制备得到的直径为400nm、尺寸均匀的氧化锌颗粒均匀散布在含有氧化锌分子的溶液中，经搅拌获得氧化锌微球和分子的混合溶液。将混合溶液滴在商品化纳米级平整的三氧化二铝衬底上，加热使溶剂挥发。并将溶液温度保持在150℃，利用氧化锌纳米颗粒之间的相互作用力，即制备得到密排结构的氧化锌三维纳米光子晶体，平均粒径为400nm。
权利要求
1.一种氧化锌三维光子晶体的自组装制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤1)将均匀尺寸的氧化锌纳米颗粒均匀散布在含有氧化锌分子的溶液中，经搅拌获得氧化锌微球和分子的混合溶液；2)将混合溶液滴在纳米级平整的衬底上并加热使溶剂挥发；3)将溶液温度控制在150～180℃，氧化锌纳米颗粒之间存在的相互作用力将最终在衬底上制备出密排面心立方结构的氧化锌三维纳米光子晶体。
2.根据权利要求1所述的自组装制备方法，其特征在于所述纳米级平整的衬底采用硅片材料、玻璃材料、石英材料或三氧化二铝材料。
全文摘要
一种氧化锌三维光子晶体的自组装制备方法，属于光子晶体制备技术领域。为了在纳米颗粒间获得较强的合适的相互作用力，使得制备出的光子晶体具有较好的机械强度和稳定性，便于再加工并降低工艺成本，本发明公开了一种氧化锌三维光子晶体的自组装制备方法，包括如下步骤将均匀尺寸的氧化锌纳米颗粒均匀散布在含有氧化锌分子的溶液中，经搅拌获得氧化锌微球和分子的混合溶液；将混合溶液滴在纳米级平整的衬底上并加热使溶剂挥发；将溶液温度控制在150～180℃，氧化锌纳米颗粒之间存在的相互作用力将最终在衬底上制备出密排面心立方结构的氧化锌三维纳米光子晶体。本发明所述方法效率高，重复性好，可大大降低器件的生产成本和周期。
文档编号C30B29/10GK1556258SQ20041000001
公开日2004年12月22日 申请日期2004年1月2日 优先权日2004年1月2日
发明者凌勇, 陈皓明, 王庆艳, 王秀凤, 凌 勇 申请人:清华大学