反蛋白石結構光子晶體材料制備及性能研究.pdf

1、當電磁波在周期性電介質結構材料中傳播時，由于受到調制而形成能帶結構—光子能帶結構，其帶隙稱為光子帶隙。此具有光子帶隙的周期性電介質結構就是光子晶體。光子晶體帶隙寬度主要取決于維度、對稱性、介質填充率、介電常數比等參數。構成光子晶體材料的介電常數對比度越高，出現寬帶隙和完全帶隙的可能性越大。因此可以通過提高介電常數比來實現寬帶隙和全帶隙的光子晶體。光子晶體結構材料在光波導、低閾值激光器、三維有序大孔材料、光催化、氣體傳感器等方面有著巨大的

2、應用前景。
　　本文利用垂直自組裝法，研究制備了不同粒徑聚苯乙烯微球蛋白石，實驗表明，蛋白石薄膜在自然光下分別呈現不同的色彩。通過對蛋白石薄膜表征表明，PS微球蛋白石在宏觀上呈現長程有序結構，但是在各蛋白石疇區間存在著一定程度的裂紋，且沿著生長方向的裂紋是較為連貫的，而垂直于蛋白石方向的裂紋則顯得無規律可循;在微觀上，蛋白石中PS微球主要以六方密堆積方式進行排列;從斷面上觀察，PS微球呈面心立方結構排列，且沿著蛋白石生長方向，PS

3、微球的層數越來越多。通過對PS微球蛋白石薄膜進行透射光譜和反射光譜表征，結果表明，測量得到的光子帶隙波長與用Bragg公式計算得到的帶隙波長值高度吻合。通過對PS微球溶液濃度變化研究表明，當PS微球溶液濃度太大時，蛋白石薄膜容易脫落;但是，當PS微球粒徑變大，PS微球溶液的濃度適當變大不會導致蛋白石薄膜脫落。通過在同一塊基片上研究蛋白石薄膜組裝次數，結果表明隨著組裝次數的增加，蛋白石薄膜的質量逐漸下降。利用離心沉降法將不同粒徑的PS微球

4、制備成塊狀蛋白石，在自然光下，塊狀蛋白石會呈現不同的色彩;在微觀上，絕大部分PS微球呈六方密堆積結構排列;反射光譜測量表明，塊狀蛋白石光子帶隙波長測量值與理論值高度一致。
　　以220nm、340nm、390nm、435nmPS微球蛋白石為模板，通過三步法制備了反蛋白石SnO2。在鹵鎢燈下，不同模板制備的反蛋白石SnO2分別呈現不同的色彩;相對于蛋白石細小的裂紋，反蛋白石SnO2裂紋明顯變大;宏觀上，反蛋白石SnO2呈現長程有序結

5、構;微觀上，反蛋白石SnO2由許多規則整齊的大孔和小孔組成。進一步表征表明，在燒結過程中，蛋白石的結構并未被破壞，而是被空氣球所替代，而PS微球間的空隙則被SnO2骨架所彌補。電子衍射表征表明，反蛋白石SnO2晶型呈四方相金紅石結構。XRD測量表明，反蛋白石SnO2晶型與JCPDS標準卡41-1445—致，呈四方相金紅石結構。通過對PS微球蛋白石、反蛋白石SnO2反射光譜表征表明，蛋白石的光子帶隙波長測量值與理論值高度一致。但是，對于反

6、蛋白石而言，其理論光子帶隙波長無法計算，只能測量。通過測量反蛋白石SnO2帶隙波長及其空氣球的孔徑，利用Bragg公式，可以計算出SnO2的填充率。
　　通過對不同粒徑的PS微球蛋白石滲透SnO2前驅體次數研究表明，隨著PS微球粒徑增大，若得到結構較為完好的反蛋白石結構，滲透次數需要加大，或者溶膠濃度需提高。本文通過兩步法嘗試制備了反蛋白石SnO2，總體而言，利用兩步法只能在局部得到較為完整的反蛋白石結構。
　　本文以340

7、nm、390nm、435nmPS微球蛋白石為模板，通過三步法制備了反蛋白石CeO2、 TiO2。在鹵鎢燈下，不同模板制備的反蛋白石CeO2、 TiO2分別呈現不同的色彩。通過對反蛋白石CeO2、 TiO2進一步表征表明，其結構、光學性能與反蛋白石SnO2非常一致。XRD表征表明，反蛋白石CeO2晶型與JCPDS標準卡34-0394一致，皆為MO8立方螢石結構;反蛋白石TiO2晶型與JCPDS標準卡89-4921—致，為銳鈦礦型。通過對反

8、蛋白石SnO2、 CeO2、TiO2的填充率計算發現，PS微球粒徑越大，反蛋白石結構中SnO2、CeO2、TiO2相對填充量越少。
　　利用280nmPS微球蛋白石塊為模板，制備了反蛋白石SnO2氣敏材料，利用WS-30A氣敏測試系統測量其對甲醇氣體的氣敏性能。通過對其氮吸附脫附研究表明，相較于參照樣，利用蛋白石模板制備的反蛋白石結構材料比表面積最大。通過研究加熱溫度對氣體傳感器的氣敏性能影響發現，當工作溫度升高時，SnO2氣體傳

9、感器的靈敏度增加，當達到312℃時，靈敏度最大;繼續升高工作溫度，靈敏度都呈下降趨勢。當工作溫度為312℃時，相較于參照樣，反蛋白石SnO2對500ppm甲醇的靈敏度最大，達到95;通過對傳感器氣敏響應-恢復時間研究發現，相較于參照樣，反蛋白石SnO2的響應-恢復時間最短。利用氣體傳感器在最佳工作溫度312℃下，對500ppm不同的有機化合物氣體如甲醇、乙醇、甲醛、異丙醇、丙酮、苯、甲苯、二甲基甲酰胺等進行了選擇性測試，結果表明，反蛋白