一種三維光子晶體帯隙的調節方法
【專利摘要】本發明提供了一種三維光子晶體帯隙的調節方法。其包括如下步驟：清洗基片；使用垂直沉積法將單分散的聚苯乙烯微球乳液進行自組裝，制備模板；用溶膠凝膠法制備五氧化二鈮溶膠；向使用浸漬—提拉法所得聚苯乙烯模板間隙添加入五氧化二鈮溶膠，干燥冷卻后放入四氫呋喃溶液中，進行熱處理；將上述獲得的三維有序五氧化二鈮光子晶體的基板平放入一上部帶有石英窗口可密封容器中，在供氫劑的氛圍下使用紫外燈輻照一段時間進行注氫；帶隙移動，放入烘箱中處理一段時間，三維有序結構氧化二鈮光子晶體脫氫，光子帶隙逐步移動回初始位置。該調節方法具有結構簡單、工藝操作等優點。
【專利說明】—種三維光子晶體帯隙的調節方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光子【技術領域】，具體涉及一種光子晶體的調節方法。
【背景技術】
[0002]光子技術被認為是21世紀對信息技術的發展最具推動力的一門技術。相對于電子載體，光子具有更快的速度，且幾乎沒有相互作用，隨著納米尺度下電子器件集成化的難度越來越大，基于光子運動的光子器件，特別是光子晶體這種可控制光子運動的新結構材料的出現，給人們帶來了克服“電子瓶頸”的希望。作為信息載體的光子，無論在信息的傳輸還是信號的處理方面都具有獨特的優越性，如傳輸速度快、抗干擾能力強和不存在散熱問題等。而其中一種最具潛力的光學材料就是光子晶體。
[0003]光子晶體是具有光子能帶及能隙的一類新材料，當光的頻率位于光子帶隙范圍內時，將不能在光子晶體中傳播。由于光子帶隙的存在，產生了許多嶄新的物理性質，使其成為當今世界的一個研究熱點。光子晶體分為一維、二維和三維光子晶體，只有三維光子晶體能產生全方向的完全禁帶，相比一維、二維光子晶體僅能產生方向禁帶，三維光子晶體具有更普遍的實用性。
[0004]目前所制備的光子晶體絕大多數是不可調的，即光子晶體制作出來之后，禁帶的位置、形狀就不能再發生變化。如果光子晶體的禁帶可調，那必將產生一系列的新效應、新現象，使基于光子晶體的光調制器成為可能。目前大多數文獻和專利報道的調節光子晶體的禁帶的方法是通過施加電場、磁場或者改變溫度來實現的，通過施加光場的方法報道很少。
[0005]五氧化二鈮是常用的光學材料之一，正常狀態下無色透明。在紫外光的作用下，五氧化二鈮可被注入氫原子，顏色變為淺藍色，同時折射率發生變化，根據我們的測試結果，在小于760nm的波段，注氫后折射率下降，在大于760nm的波段，注氫后折射率上升。這種折射率的變化可以通過熱處理等脫氫過程進行恢復。三維光子晶體的光子禁帶位置受折射率的影響，因此使用五氧化二鈮制備為三維光子晶體結構后，可以通過注氫\脫氫的過程對其折射率進行調節，進而對其帶隙位置進行調節。具體的說，原來光子禁帶小于760nm的五氧化二銀光子晶體，注氫后光子帶隙藍移，原來光子禁帶大于760nm的五氧化二銀光子晶體，注氫后光子帶隙紅移。

【發明內容】

[0006]針對上述存在的技術問題，本發明的目的是提出一種使用光致變色原理調節光子晶體的光子帶隙的方法。
[0007]本發明還提供了一種能利用上述方法調節其光子晶體帯隙的氧化二鈮三維光子晶體。
[0008]為實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0009]本發明提供了一種三維光子晶體帯隙的調節方法，包括以下步驟:[0010]I)制備具有光致變性能的三維有序結構五氧化二鈮光子晶體；
[0011]2)將步驟I)中所得三維有序結構五氧化二鈮光子晶體的基片放入帶有石英窗口的密封器皿中，在器皿中充入含有活性氫原子的有機物做為供氫劑，基片在供氫劑的氛圍下使用紫外燈輻照一段時間進行注氫，這時光子晶體的光子帯隙將發生藍移；
[0012]3)將步驟2)中所得已經注氫的三維有序結構五氧化二鈮光子晶體放置在烘箱中處理一段時間，三維有序結構氧化二鈮光子晶體脫氫，光子帶隙逐步紅移至初始位置。
[0013]其中，上述步驟2)中的供氫劑選自有機物液體或氣體。
[0014]其中，上述步驟2)中供氫劑有機物選自含羥基、醛基的有機物。
[0015]其中，上述步驟3)中烘箱處理的溫度是50°C?150°C。
[0016]本發明提供的調節方法，可對三維光子晶體的帶隙進行調節。本發明的調節方法與已經報道的三維光子晶體帶隙調節方法相比，本發明可實現非接觸調節。比如有報道使用調節PH值來調節光子帶隙的方法，該方法需要將光子晶體浸泡在特定PH值的液體中來實現對光子帶隙的調節。本發明提供的這種控制光子帶隙的方法是可逆、可循環的，且整個工藝過程安全，無需昂貴設備。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是實施例1、2中所使用裝置示意圖。
[0018]圖2是實施例3、4中所使用裝置示意圖。
[0019]圖3是實施例1?4中三維有序結構五氧化二鈮薄膜的掃描電鏡圖。
[0020]圖4是實施例1?4中三維有序結構五氧化二鈮薄膜光子帶隙的調節示意圖。
【具體實施方式】:
[0021]以下實施例用于進一步說明本發明，但不應理解為對本發明的限制。在不背離本發明精神和實質的前提下，對本發明所作的修飾或者替換，均屬于本發明的范疇。
[0022]實施例1
[0023]I)將基片在超純水中超聲清洗20分鐘，自然晾干。
[0024]2)使用垂直沉積法將單分散的聚苯乙烯微球乳液進行自組裝，制備模板。
[0025]3)用溶膠凝膠法制備五氧化二鈮溶膠:將一定量的五氧化二鈮粉末與氫氟酸加入水熱反應釜內膽中，在烘箱內80°C加熱10小時，所得五氟化鈮溶液加入3摩爾/升的草酸銨溶液中，向混合溶液中滴加氨水使氫氧化鈮析出，至溶液呈堿性則反應完全，清洗沉淀以去除氟離子，將洗凈的沉淀加入0.6摩爾/升的檸檬酸溶液中，水浴加熱40°C攪拌24小時，制得五氧化二鈮溶膠。
[0026]4)使用浸潰一提拉法向步驟2所得聚苯乙烯模板間隙添加步驟3所得五氧化二鈮溶膠，提拉速度為300微米/秒，提拉次數為3次。將樣品放入干燥箱中于60°C下干燥48小時，冷卻，取出。
[0027]5)將步驟4樣品放入四氫呋喃溶液中，0.5小時后取出。將樣品放在500°C下進行熱處理，升溫速度為2V /min，保溫I小時，即得到三維有序結構的五氧化二鈮光子晶體。
[0028]6)將步驟5中所得三維有序五氧化二鈮光子晶體的基板平放入一上部帶有石英窗口可密封容器中，向器皿中加入二甲基甲酰胺做為供氫劑，二甲基甲酰胺液面沒過基片，使用250W汞燈照射三維有序五氧化二鈮光子晶體2小時。
[0029]7)將步驟6中所得已經注氫的三維有序結構五氧化二鈮光子晶體放置在烘箱中50°C處理6小時，三維有序結構氧化二鈮光子晶體脫氫褪色。
[0030]8)分別測試三維有序結構五氧化二鈮薄膜初始態、著色態的反射光譜。
[0031]結果見圖3和4，結果表明本發明提供的方法可有效的調節三維有序結構氧化二鈮光子晶體的帯隙。
[0032]實施例2
[0033]I)將基片在超純水中超聲清洗30分鐘，自然晾干。
[0034]2)使用室溫漂浮法將單分散的聚苯乙烯微球乳液進行自組裝，制備模板。
[0035]3)用溶膠凝膠法制備五氧化二鈮溶膠:將一定量的五氧化二鈮粉末與氫氟酸加入水熱反應釜內膽中，在烘箱內80°C加熱10小時，所得五氟化鈮溶液加入3摩爾/升的草酸銨溶液中，向混合溶液中滴加氨水使氫氧化鈮析出，至溶液呈堿性則反應完全，清洗沉淀以去除氟離子，將洗凈的沉淀加入0.6摩爾/升的檸檬酸溶液中，水浴加熱40°C攪拌24小時，制得五氧化二鈮溶膠。
[0036]4)使用浸潰一提拉法向步驟2所得聚苯乙烯模板間隙添加步驟3所得五氧化二鈮溶膠，提拉速度為400微米/秒，提拉次數為3次。將樣品放入干燥箱中于80°C下干燥48小時，冷卻，取出。
[0037]5)將步驟4樣品放入四氫呋喃溶液中，0.5小時后取出。將樣品放在800°C下進行熱處理，升溫速度為3°C /min，保溫I小時，即得到三維有序結構的五氧化二鈮光子晶體。
[0038]6)將步驟5中所得三維有序五氧化二鈮光子晶體的基板放入一上部帶有石英窗口可密封容器中，向容器中加入冰醋酸作為供氫劑，冰醋酸液面沒過基片，使用250W汞燈照射三維有序五氧化二鈮光子晶體2小時。
[0039]7)將步驟6中所得已經注氫的三維有序結構五氧化二鈮光子晶體放置在烘箱中80°C處理3小時，三維有序結構氧化二鈮光子晶體脫氫褪色。
[0040]8)分別測試三維有序結構五氧化二鈮薄膜初始態、著色態的反射光譜。
[0041]結果見圖3和4，結果表明本發明提供的方法可有效的調節三維有序結構氧化二鈮光子晶體的帯隙。
[0042]實施例3
[0043]I)將基片依次在丙酮、甲醇、超純水中超聲清洗20分鐘，自然晾干。
[0044]2)使用垂直沉積法將單分散的聚苯乙烯微球乳液進行自組裝，制備模板。
[0045]3)用溶膠凝膠法制備五氧化二鈮溶膠:將一定量的五氧化二鈮粉末與氫氟酸加入水熱反應釜內膽中，在烘箱內80°C加熱10小時，所得五氟化鈮溶液加入3摩爾/升的草酸銨溶液中，向混合溶液中滴加氨水使氫氧化鈮析出，至溶液呈堿性則反應完全，清洗沉淀以去除氟離子，將洗凈的沉淀加入0.6摩爾/升的檸檬酸溶液中，水浴加熱40°C攪拌24小時，制得五氧化二鈮溶膠。
[0046]4)使用浸潰一提拉法向步驟2所得聚苯乙烯模板間隙添加步驟3所得五氧化二鈮溶膠，提拉速度為500微米/秒，提拉次數為3次。將樣品放入干燥箱中于80°C下干燥48小時，冷卻，取出。
[0047]5)將步驟4樣品放入四氫呋喃溶液中，0.5小時后取出。將樣品放在500°C下進行熱處理，升溫速度為4°C /min，保溫I小時，即得到三維有序結構的五氧化二鈮光子晶體。
[0048]6)將步驟5中所得三維有序五氧化二鈮光子晶體的基板放入可密封器皿中，器皿兩端分別連接裝有甲醛的單口燒瓶和空氣泵，上端使用石英片覆蓋，開啟空氣泵使甲醛蒸汽充滿器皿內，使基板在甲醛蒸汽的氛圍內開啟紫外燈照射2小時。
[0049]7)將步驟6中所得已經注氫的三維有序結構五氧化二鈮光子晶體放置在烘箱中120°C處理I小時，三維有序結構氧化二鈮光子晶體脫氫褪色。
[0050]8)分別測試三維有序結構五氧化二鈮薄膜初始態、著色態的反射光譜。
[0051]結果見圖3和4，結果表明本發明提供的方法可有效的調節三維有序結構氧化二鈮光子晶體的帯隙。
[0052]實施例4
[0053]I)將基片依次在丙酮、甲醇、超純水中超聲清洗30分鐘，自然晾干。
[0054]2)使用室溫漂浮法將單分散的聚苯乙烯微球乳液進行自組裝，制備模板。
[0055]3)用溶膠凝膠法制備五氧化二鈮溶膠:將一定量的五氧化二鈮粉末與氫氟酸加入水熱反應釜內膽中，在烘箱內80°C加熱10小時，所得五氟化鈮溶液加入3摩爾/升的草酸銨溶液中，向混合溶液中滴加氨水使氫氧化鈮析出，至溶液呈堿性則反應完全，清洗沉淀以去除氟離子，將洗凈的沉淀加入0.6摩爾/升的檸檬酸溶液中，水浴加熱40°C攪拌24小時，制得五氧化二鈮溶膠。
[0056]4)使用浸潰一提拉法向步驟2所得聚苯乙烯模板間隙添加步驟3所得五氧化二鈮溶膠，提拉速度為600微米/秒，提拉次數為3次。將樣品放入干燥箱中于80°C下干燥48小時，冷卻，取出。
[0057]5)將步驟4樣品放入四氫呋喃溶液中，0.5小時后取出。將樣品放在500°C下進行熱處理，升溫速度為5°C /min，保溫I小時，即得到三維有序結構的五氧化二鈮光子晶體。
[0058]6)將步驟5中所得三維有序五氧化二鈮光子晶體的基板放入可密封器皿中，器皿兩端分別連接裝有乙醇的單口燒瓶和空氣泵，上端使用石英片覆蓋，開啟空氣泵使乙醇蒸汽充滿器皿內，使基板在乙醇蒸汽的氛圍內開啟紫外燈照射2小時。
[0059]7)將步驟6中所得已經注氫的三維有序結構五氧化二鈮光子晶體放置在烘箱中150°C處理0.5小時，三維有序結構氧化二鈮光子晶體脫氫褪色。
[0060]8)分別測試三維有序結構五氧化二鈮薄膜初始態、著色態的反射光譜。
[0061]結果見圖3和4，結果表明本發明提供的方法可有效的調節三維有序結構氧化二鈮光子晶體的帯隙。
【權利要求】
1.一種三維光子晶體帯隙的調節方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)制備具有光致變性能的三維有序結構五氧化二鈮光子晶體； 2)將步驟I)中所得三維有序結構五氧化二鈮光子晶體的基片放入帶有石英窗口的密封器皿中，在器皿中充入含有活性氫原子的有機物做為供氫劑,基片在供氫劑的氛圍下使用紫外燈輻照一段時間進行注氫，這時光子晶體的光子帯隙將發生藍移； 3)將步驟2)中所得已經注氫的三維有序結構五氧化二鈮光子晶體放置在烘箱中處理一段時間，三維有序結構氧化二鈮光子晶體脫氫，光子帶隙逐步紅移至初始位置。
2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟2)中的供氫劑選自有機物液體或氣體。
3.根據權利要求1或2所述的制備方法，其特征在于，步驟2)中供氫劑有機物選自含輕基、醒基的有機物。
4.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟3)中烘箱處理的溫度是50°C?150。。。
5.通過權利要求1所述的調節方法其光子晶體帯隙可調的氧化二鈮三維光子晶體。
【文檔編號】G02F1/01GK103616773SQ201310624358
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月26日 優先權日:2013年11月26日
【發明者】李垚, 潘磊, 趙九蓬, 馬麗華, 孫運勇 申請人:哈爾濱工業大學