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深圳先进院成功制备出高质量硫化锌光子晶体

近日,中国科学院深圳先进技术研究院副研究员李佳课题组在光子晶体领域取得新进展,成功制备出高质量硫化锌光子晶体,不仅获得近100%的高反射率,而且饱和度、对比度、亮度等结构色彩性能都得到了显著提升。相关成果Vivid Structural Colors from Long-Range Ordered and Carbon-Integrated Colloidal Photonic Crystals 发表于光学期刊Optics Express。论文第一作者是王欣,通讯作者是李佳。

光子晶体因其对光的调控作用显现出巨大的研究价值。通过Bottom-Up方法将单分散亚微米胶体颗粒组装成为三维周期性堆积结构,具有操作过程简单、成本低、可大规模制备等优点,成为光子晶体走向应用的重要制备途径。然而通常的球形胶体颗粒紧密堆积后因能量有利而得到面心立方紧密堆积结构,理论计算表明,这种结构的对称性导致无法实现完全光子带隙。由此结构翻转而成的反蛋白石结构则要求光子晶体中两种介电材料的折光率比不低于2.8时才有可能实现完全光子带隙,这也为在可见光区域挑选合适的光子晶体材料设置了难以突破的障碍。

胶体光子晶体是指由单分散的微米或纳米尺寸的胶体颗粒构成的有序周期性结构。近些年来,胶体光子晶体在光学显示以及生物化学传感器等方面展现出广泛用途。尽管基于胶体光子晶体的结构色彩研究已经取得了一些优异成果,但目前所采用的胶体颗粒材料的折射率较低,导致其在显示亮度、对比度以及可见性等方面仍面临众多问题,需得到较大改善与提升。因此,采用高折射率材料来制备光子晶体,实现较宽的光子带隙,成为获得高质量胶体光子晶体的研究重点与难点。另一方面,已有报道证明将黑色吸光材料加入光子晶体可以吸收散射光并显著增强光子晶体结构颜色。目前,将黑色材料结合到胶体光子晶体中的常用方法主要采用物理混合法,然而这种方法容易导致黑色材料的团聚以及在光子晶体内的不均匀分布。因此,有必要开发一种简单有效的方法将黑色材料均匀地混入光子晶体中,而且对光子晶体长程有序周期性结构排列不造成影响。

在国家自然科学基金委、科技部、中国科学院和化学所的支持下,化学所光化学院重点实验室的科研人员从2008年开始开展新型对称性结构三维光子晶体的研究。他们制备了单分散的磁性椭球形胶体颗粒,利用外加磁场导向,得到椭球长轴平行于基底的椭球形结构基元三维光子晶体,获得第一例可见光区域内由非球形胶体颗粒直接组装而成的非球形结构基元三维光子晶体,并成功表征了其光子带隙(Adv. Mater. 2009, 21, 1936-1940)。在此基础上,他们又进一步制备了取向可控的椭球形结构基元三维光子晶体(Langmuir 2010, 26, 11544-11549)。他们还通过把聚苯乙烯胶体光子晶体嵌入在聚乙烯醇薄膜中,利用吹膜法得到扁球结构基元的三维光子晶体(Langmuir 2009, 25, 10218-10222)。

在该项工作中,针对以上的研究目标,科研人员成功制备了尺寸可调40-200 nm均匀硫化锌纳米颗粒,并通过二氧化硅包覆保护煅烧和部分刻蚀的方法进一步对材料的分散度、表面电荷以及结晶度进行调节。与此同时,材料合成中添加的有机结构引导剂在煅烧后即可原位产生可有效吸收散射光的碳基材料并均匀分布在胶体颗粒内。经自组装后即得到长程有序、结构性颜色显著增强的周期性排列结构。所得到自组装胶体光子晶体的最大反射率可达98%,其反射光谱也可通过颗粒尺寸进行灵活调节。该项工作为获得高质量光子晶体提供了新的设计思路和方法,有效提高胶体光子晶体的质量,有利于推动光子晶体技术的广泛应用。

最近他们将SiO2@PMMA单分散核壳胶体微球组装成传统的面心立方结构三维光子晶体,利用氧等离子刻蚀,缓慢剥去外层的聚合物壳,无法被刻蚀的二氧化硅内核则陷落到下一层相邻胶体颗粒所围成的微腔中。利用氧等离子刻蚀在胶体光子晶体表面速度远远快于内部刻蚀速度的特性,使得刻蚀可以逐层进行。在光子晶体晶面间纵向间距缩小的同时,同一晶面内微球的水平位置由于上下层微球的限制作用而固定,同时也使得整个胶体光子晶体的有序性得以保持,但晶格结构由于晶面间距的缩小而发生改变。通过改变核壳胶体颗粒核与壳的尺寸比例,可以分别得到三斜晶格、简单立方晶格和体心立方晶格,这些新型结构有利于三维光子晶体中光子带隙的拓宽。相关研究结果发表于J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 17340-17342上。文章发表后被Nature China的Research Highlights栏目评述报道 (

该研究得到广东省科技计划项目、深圳市科技计划项目等的资助。

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