单分散sio-%2c2-微球改性制备及其光子晶体自组装

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1、单分散Si02微球的改性制备及其光子晶体自组装摘要光子晶体是指介电常数随空间呈周期性变化的材料，存在光子带隙，能够调节光子的传播状态，是信息功能材料研究的前沿领域，具有广阔的应用前景。目前，发展光子晶体的关键是制备可见光和近红外波段的光子晶体。自组装法，即将亚微米级单分散颗粒实现三维有序聚集组装的方法，是制备光子晶体最有效的方法。而白组装法中，垂直沉积法是最方便有效的方法，但是这种方法要求颗粒表面具有较高的电荷密度，因此如何提高颗粒表面的电荷密度成为研究的热点。采用单分散Si02微球作为组装光子晶体的组成基元，分别以钠离子和甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷(MPS)为改性剂，对Si02微球进行改

2、性，提高微球的表面电荷密度、球间静电排斥作用和在有机溶剂中的分散性，并采用垂直沉积法在无水乙醇溶液中自组装制得可见光和近红外波段的Si02光子晶体。通过X射线衍射分析仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、能量色散谱仪(EDS)、Zeta电位仪、紫外．可见．近红外(UV／Ⅵs／NIR)吸收光谱仪、傅立叶红外光谱仪(FT-IR)、X射线光电子能谱仪(xPs)等分析测试手段对Si02微球和Si02光子晶体的显微结构、电学性能和光学性能进行了表征和研究，并对改性机理进行了详细的讨论。论文的主要研究成果如下。通过改进传统St6ber法，在乙醇介质中，以氨作催化剂，正硅酸乙酯(TEOS)为

3、硅源，利用TEOS的水解和缩聚反应成功制备了粒径在284nm--一750nm范围内，单分散性较好，表面光滑的Si02球形颗粒。主要研究了催化剂氨水和硅源TEOS的用量对Si02微球粒径大小和粒径偏差的影响：随着氨水用量的增加，Si02微球的粒径逐渐变大，且粒径偏差减小。同样，在一定范围内增加TEOS的用量也可以得到粒径大且粒径偏差小的Si02微球。为提高Si02微球的表面电荷密度和球间静电排斥作用，在改进St6ber法制备单分散Si02微球的基础上，向反应体系中添加氯化钠和金属钠，引入钠离子，对Si02微球进行改性。EDS能谱分析表明，在合成的Si02微球中含有钠元素，这说明钠离子参与了反

4、应，进入了Si02微球网络结构，从而增加了Si02微球的双电层厚度，最终导致Si02微球Zeta电位明显提高。Zeta电位测试结果显示，经钠离子改性后，Si02微球在无水乙醇溶液中的Zeta电位平均提高12．46mV，增加了20．5％。采用垂直沉积法在无水乙醇溶液中组装出可见光和近红外波段的Si02光子晶体。利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察Si02光子晶体的显微形貌和结构特点，利用UVMs／NIR吸收光谱仪研究Si02光子晶体的光子带隙效应。结果表明：对比未改性的Si02微球，钠离子改性后的Si02微球光子晶体有序性更好，相应的带隙深且窄；所得到的Si02光子晶体为FCC周期结构

5、，表面为(111)晶面，呈正六边形排列；Si02微球粒径的大小在吸收光谱中表现为带隙中心位置的不同，且符合布拉格定律，对于经氯化钠和金属钠改性后粒径为380nm和354nm的Si02微球，相应的光子带隙位置分别在856nm和798nm处，而且随着入射光和光子晶体表面法线方向的夹角变大，光子带隙发生蓝移，说明Si02光子晶体的光子带隙为赝带隙。为提高Si02微球在有机溶剂中的分散性，采用一步法，以甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷(MPS)为改性剂，对Si02微球的表面进行改性。傅立叶红外光谱仪(FT_IR)和X射线光电子能谱仪(XPS)测试结果均表明制备出的Si02微球表面接枝上了大量甲基丙烯酰氧

6、基基团，从而抑制了Si02微球在无水乙醇溶液中的团聚，有利于其组装成完整有序的Si02光子晶体；SEM照片显示所制备的Si02微球平均粒径为284nm，样品标准偏差低于5％，单分散性良好，由其组装的光子晶体为FCC面心立方结构；UV朋s／NIR吸收光谱测试结果表明Si02光子晶体的带隙中心在646nm处。关键词：光子晶体，垂直沉积法，Si02微球，改性，钠离子，偶联剂IlMoD玎ji'ICATIoNoFTHEMoNoDISPERSESi02MICRoSPHERESANDSELF．ASSEMBLYoFPHoToNICCRYSTA山ABSTRACTPhotoniccrystalsaremate

7、rialswithregularperiodicityofdielectricstructures，whichcancontrolthepropagatingbehaviorofphotonsbyarangeofforbiddenfrequenciescalledphotonicbandgap．Theyhavebecomethefrontieroffunctionalmaterialswithwideapplicatio