基于单层胶体晶体的功能性二维有序阵列研究进展

二维有序微纳米结构阵列往往呈现出有序图案化结构所带来的新颖或增强的性质,由胶体球自组装而成的单层胶体晶体已被广泛应用于二维有序微纳米结构阵列的可控制备.这种方法具有简单、高效、适用范围广等诸多优点,因而愈来愈受到人们的关注.本文简要综述了近年来基于单层胶体晶体的功能性二维有序阵列的研究进展,主要包括二维光子晶体传感器、等离激元纳米阵列、太阳能转换器件、光学与光电器件、表面浸润与黏附以及生物医学材料等方面的最新成果.其中着重介绍了本课题组在Zn S纳米碗阵列、异质结构Ag_2S-Ag纳米碗阵列、异质结构TiO_2纳米棒@纳米碗阵列以及方解石单晶微透镜阵列等方面所取得的一些研究进展.     

Rhodamine 6G在光子晶体中的光致发光及聚集态生长

通过毛细生长法沉积了具有特定光子禁带的胶体光子晶体, 并用浸渍法在光子晶体孔隙内浸润了Rhodamine 6G(R6G)乙醇溶液, 制备了掺杂R6G的光子晶体. 结果发现, 光子晶体的禁带对R6G的发光谱有影响, 能够强烈限制光子的发射从而抑制特定波长的发光强度. 改变掺杂R6G的浓度, 会引起间隙介质平均折射率的变化, 从而引起光子带隙的移动. 采用Nd:YAG激光器三倍频354.5 nm激光对掺杂了R6G的光子晶体进行了激发, 光谱显示没有受激发射, 这一点与相关文献是一致的. 我们对光子晶体中R6G的聚集态进行了SEM分析, 发现R6G呈束状聚集. 与胶体光子晶体的[111]方向相比, 该束状聚集体更倾向于沿着[100]方向生长. 本实验对于开展固态激光器的研究以及三维阵列的应用研究具有一定指导意义.     

鲍鱼壳中的一维光子带隙结构

光子带隙材料是一种周期性介质材料,在这种材料中,特定频带的电磁波不能沿某个方向或者任何方向传播,在5亿年前,自然世界已经因为特定的目的发展出生物光子结构,不同类型的生物光子带隙结构在近年来被发现,例如海老鼠刚毛和Elaeocarpus果实中的一维光子晶体结构,在雄性孔雀羽毛、蝴蝶翅膀中的二维光子晶体结构,在甲虫中的三维光子晶体结构,此外,对生物光子带隙结构的深入研究有助于发展一种制备光子元件的新途径。     

胶体晶体制备与应用研究进展

不同于由分子、原子或离子所形成的晶体,胶体晶体是由单分散的微米或亚微米胶体颗粒组装形成的二维或三维有序阵列结构.与通常晶体相比,胶体晶体中占据每一个晶格点的是单分散的胶体粒子.由于具有特殊的周期性晶格结构和光学、模板等性能使其在制备三维有序大孔材料、光子晶体和传感器等领域有着重要的应用价值,受到科学界和工业界的广泛重视.本文综述了近几年来在胶体晶体制备和应用领域研究的最新进展,包括单分散胶体颗粒的制备及功能化、不同类型胶体晶体的自组装制备和图案化、以及胶体晶体在构筑晶体结构模型、二维有序微结构、三维有序大孔材料、光子晶体、传感器和仿生材料等领域的应用,并对其未来研究发展的方向进行了展望.     

基于自组装胶体晶体构筑有序微结构

有关胶体晶体自组装以及以胶体晶体为模板制备有序图案化微结构方面的研究, 由于方法简便、结构多样、重复性好等优点, 近年来受到越来越多的关注. 本文系统总结了我们在胶体微球和胶体晶体领域开展的研究工作, 主要包括: 无机或聚合物胶体微球的设计制备、纳米复合及功能化; 结合聚合物材料可溶涨、可拉伸、热形变等特性构筑图案化胶体晶体、非球形对称胶体晶体、非紧密堆积胶体晶体等特殊结构; 以胶体晶体为模板制备三维大孔骨架、纳米环、纳米碗阵列等有序微结构等.     

电沉积时间对SiO2-ZnO复合光子晶体形貌及光学特性的影响

采用垂直沉积法成功制备了SiO₂光子晶体薄膜. 以SiO₂光子晶体薄膜做模板, 采用电沉积和烧结处理在ITO基底上制备了SiO₂-ZnO复合光子晶体. 利用扫描电子显微镜观察了SiO₂光子晶体模板及不同沉积时间所制备的SiO2-ZnO复合光子晶体薄膜形貌. 研究发现, 当沉积时间较短时, ZnO颗粒随机生长在SiO₂微球表面. 随着沉积时间的延长, ZnO颗粒均匀地生长在SiO₂微球表面, 以至于ZnO颗粒完全掺入模板的间隙. 对所制备的光子晶体薄膜进行反射谱测量, 发现在膜法线方向上, 光子晶体薄膜有光子带隙的出现.     

钠离子改性二氧化硅微球的制备及其光子晶体自组装

为提高SiO₂微球的表面电荷密度, 分别利用氯化钠和金属钠引入Na⁺, 通过正硅酸乙酯的水解, 合成SiO₂微球, 并采用垂直沉积法制备出光子晶体. 通过Zeta电位粒度仪、带EDS能谱仪的场发射扫描电子显微镜(SEM)和紫外-可见-近红外光谱仪对其电学性能、显微形貌和光学性能进行测试分析. Zeta电位测试结果显示经引入Na⁺改性后SiO₂微球的Zeta电位有明显提高, 其中经电解质氯化钠和金属钠改性后分别平均提高11.39和13.52 mV; EDS能谱分析表明微球中含有钠元素; SEM 照片表明经氯化钠和金属钠改性后样品平均粒径均有所增加, 分别为380和354 nm, 并且标准偏差均小于5%, 所得光子晶体为面心立方密排结构; 吸收光谱表明经氯化钠和金属钠改性后所得光子晶体分别在856和798 nm处具有光子晶体带隙, 吸收峰具有明显红移现象, 并且更窄更明显.     

丁二酸改性二氧化硅胶体球的制备及其胶体晶体的组装

采用Stöber法在乙醇介质中合成二氧化硅(SiO₂)胶体球. 为提高SiO₂胶体球的表面电荷密度, 将丁二酸化学键合于SiO₂胶体球表面. 扫描电子显微镜(SEM)结果表明样品平均粒径为473 nm, 单分散性较高、平均标准偏差小于5%; 傅里叶红外光谱(FT-IR)和X射线光电子能谱(XPS)结果证明丁二酸一端的羧基与SiO₂胶体球表面的羟基发生了酯化反应; Zeta电位和标准氢氧化钠滴定测试结果显示, 经表面改性后, SiO₂胶体球在水溶液中的Zeta电位从-53.72 mV提高到-67.46 mV, 表面电荷密度从0.19 μC/cm²提高到0.94 μC/cm². 通过垂直沉积法在水溶液中制备出有序性较好的密排结构的SiO₂胶体晶体. 在SEM下, 观察到这种胶体晶体是面心立方(fcc)密排结构. 透射光谱表明, 所制备的胶体晶体在(111)方向具有光子晶体的带隙性质.     

同轴光子晶体中异常群速度现象

研究了同轴准一维光子晶体中光子带隙和光子晶体缺陷态的电磁波群速度. 实验结果表明, 在准一维光子晶体中, 存在群速度超光速现象; 在光子晶体缺陷态, 缺陷的色散可导致极慢的群速度, 呈现“慢波”. 传输线等效模型和传输矩阵模拟分析也表明, 同轴准一维光子晶体在禁带频域, 存在群速度超光速现象; 在同轴光子晶体中引入缺陷后, 缺陷的色散可导致极慢的群速度, 模拟计算结果与实验结果很好吻合.也表明     

超材料结构的弹性波带隙主动调控研究进展

周期超材料结构由多个相同的子结构根据一定的规律性和周期性组成,具有特殊的力学特性,比如带隙.弹性波只能在特定的频带(通带)内沿超材料结构传播,而在其他频带(带隙或禁带)内的弹性波将被阻隔.利用带隙特性可以实现弹性波过滤、振动和噪声控制等,由此学者进行了大量的研究工作,希望获得各种具有更好带隙特性的超材料结构.然而在实际工程应用中,超材料结构的尺寸往往已被固定,频率带隙的宽度以及位置往往成为限制其实用性的问题.因此,分析超材料结构中弹性波带隙的主动调控具有重要的理论与实际意义,可以为周期结构的振动控制和减振设计提供理论依据.本文针对周期超材料结构,综述了其中弹性波带隙主动调控问题的研究现状,简述了近年来发展的弹性波带隙主动调控研究方法,介绍了热点的研究结果,并提出了值得进一步深入研究的问题.     

具有无机/有机核壳结构的窄分散发光微球的合成与表征

纳米晶在光、电、磁、催化等方面都表现出优良的性质, 而复合了纳米晶的单分散无机或有机胶体微球在光子晶体的组装和研究中更展现了突出的优越性, 使含有纳米晶的无机或有机胶体微球的制备成为近来微球合成工作的重点[1,2]. 代表性的工作[2~8]有利用反复静电沉积技术, CdTe纳米晶被复合到二氧化硅或聚苯乙烯微球的表面; 利用溶剂的溶胀或溶胶凝胶法, CdTe纳米晶也被复合到无机或有机胶体微球里. 其中CdTe纳米晶复合的单分散无机/有机胶体微球发光性能稳定, 既可以将单个微球用作标记物, 也可以用以组装成具有有序结构的功能材料, 具有很好的应用前景. 本文中, 我们利用前面工作中制备的尺寸可控的SiO2-CdTe共混微球为模板1)进行乳液聚合, 成功地合成了窄分散的SiO2-CdTe/聚合物核壳微球, 以一种简便易行的方法实现了CdTe纳米晶与聚合物的复合, 并对其形貌和发光性质进行了详细的表征. 这些核壳微球在光子晶体、生物标记和发光高分子材料等方面具有潜在的应用前景.........................     

电路QED晶格及光力阵列系统中光子拓扑绝缘体研究进展

拓扑绝缘体是一种新的量子物质态.与传统绝缘体类似,拓扑绝缘体也具有体能隙以及绝缘的体态.不同之处在于,拓扑绝缘体的表面或边界处存在导电的边界态.这些特殊的边界态受拓扑保护,因此对局域的无序和微扰免疫.这些特性使得拓扑绝缘体在量子信息处理和量子计算等方面有着重要的潜在应用.基于此,本文对拓扑绝缘体的发展进行大致梳理,并且对电路QED晶格以及光力阵列系统中光子拓扑绝缘体的最新研究进展进行概括和总结.     

玻璃球上的魔法:二维原子晶体的可控带隙生长

<正>对于半导体材料,带隙是一个非常重要的性质标签^[1]其表示半导体中电子被激发到能参与导电的状态所需要的最小能量,决定了材料的众多基本物理特性,如光子的吸收激发和电子传输等,带隙的精确调控有利于获取具有特定性质的订制材料.目前报道的二维原子晶体带隙调控方法主要分为化学调控及物理调控两大类,其中化学调控     

硅基-钙钛矿叠层太阳能电池的光管理策略

硅基-钙钛矿叠层太阳能电池的研究进展迅速,两端叠层器件的最高效率在短短几年内就达到了29.8%,有效解决了硅太阳能电池效率受限于肖克利-奎伊瑟(Shockley-Queisser)极限而难以大幅度提升的问题.两端硅基-钙钛矿叠层器件的主要结构是由宽带隙的钙钛矿顶电池和窄带隙的硅基底电池组成,其中顶电池吸收高能光子,底电池吸收低能光子,达到扩大光吸收范围的作用.然而,由于硅基-钙钛矿叠层器件功能层多且器件结构较为复杂,光吸收过程中会产生多种吸光损失,光吸收的分配不合理也会导致无法充分利用入射的光子以达到最佳的器件效率.可靠的光管理策略是改善上述问题的有效方法,一方面通过钙钛矿的带隙调控等方式,对顶电池和底电池进行合理的光吸收分配,可以有效促进子电池间的电流匹配.另一方面,通过选择合适的功能层、构建陷光结构等方法有效减少寄生吸收、反射以及透射损失,提高入射光利用率,最终提高整体叠层器件的效率.本文首先介绍了光吸收损失的主要形式,然后从钙钛矿顶电池和硅基底电池两方面的光管理策略入手,总结分析目前领域内关于提高光吸收范围、优化光吸收分配、抑制光吸收损失等方面的研究工作进展,最后对目前仍然存在的...     

石墨烯打开带隙研究进展

石墨烯自从被发现以来,迅速引发了科学家的研究热潮.在石墨烯的诸多优异性质中,超高的电子迁移率使它在未来电子学产业中具有极大的应用前景.但是石墨烯是零带隙材料,极大地限制了它在电子学器件上的应用.在过去几年中,科学家不断从理论和实验上探索石墨烯打开带隙的方法,本文以是否直接破坏石墨烯的晶格或化学结构为依据,从两大类综述了石墨烯打开带隙的理论、计算和实验工作.     

十字排列椭圆孔声子晶体板的双通道滤波

采用有限元方法对二维十字排列椭圆孔周期结构的带隙及传输特性进行了研究,发现此类结构具有较宽的带隙范围.基于该研究,构造了由3种不同尺寸代表性单元组成的双通道波导结构,并通过有限元建模计算,分析了该结构的双通道滤波性能.根据理论计算模型设计制作了亚克力材料的双通道声子晶体薄板,并进行传输特性测试,实验数据验证了仿真结果的准确性.研究结果表明,通过调节3种代表性单元的尺寸,改变声子晶体的带隙分布,可以实现不同频率弹性波在双通道结构中的定向传输.     

庄周之梦蝶的光子带隙结构

庄周之梦蝶翅膀具有亮蓝色的反光。我们设计了蝴蝶翅膀的发射光谱随其中填充液体挥发的变化实验，证实了这种颜色的产生是因为多层微结构的干涉，而不是因为蝴蝶本身色素颜色的漫反射。这种对可见光的选择性反射是由于蝴蝶翅膀中的二维光子带隙结构作用。     

飞秒激光制备仿生疏水微柱阵列应用于液滴操控

仿生功能表面的制备是目前研究的热点,尤其是仿生疏水表面的制备.常用的制备方法包括等离子刻蚀、光刻等,制备过程较为复杂.本文基于飞秒激光微纳加工和模板转印技术,提出了一种制备疏水微柱阵列的简单策略,系统地研究了结构参数、表面化学修饰和润湿性之间的关系.研究发现,直径、间距和高度等结构参数对微柱阵列表面的润湿性影响较大.当微柱间距由400μm增加到600μm时,液滴滑动角从31°增加至76°.当微柱直径从100μm增加到300μm时,液滴滑动角也会相应地从40°增加到80°.微柱阵列的表面黏附性随着结构参数(直径、间距、高度)的改变而发生变化.基于这种特性,我们设计了一种具有不同间距的微柱阵列,用来实现液滴滑动行为的控制,同时还可以实现液滴微反应等应用.这种制备方式不仅操作简便,而且适用性广,在微流体芯片、生物医学和化学微反应等领域具有潜在的应用价值.     

大珠母贝韧带中的光子晶体型结构

大珠母贝韧带在干燥状态时呈黑色, 用水湿润后可呈现鲜艳的蓝色结构色. 场发射扫描电子显微镜研究表明, 大珠母贝韧带具层状结构, 微层的厚度约35 μm, 主要由直径约78 nm的文石纤维和蛋白质组成. 同一微层中文石纤维具有高度一致的定向排列, 因而具有二维光子晶体型结构特征. 反射光谱测试及理论模拟表明该类结构在干燥状态时光子禁带位于紫外区, 而湿润后其光子禁带位于蓝色范围, 从而导致韧带的结构色.     

多波长激光发射光子集成技术

针对光子集成芯片设计和制造中所面临的难点, 对多波长激光发射光子集成芯片中的多波长激光器阵列、单片集成, 芯片模块化耦合封装等核心技术进行了阐述. 利用重构等效啁啾技术, 二次压印模板技术, 大幅度放宽光子集成芯片对制备工艺中的苛刻要求, 降低了芯片制造成本; 通过端对接耦合技术和铟磷基阵列波导光栅技术, 解决了有源无源波导的单片集成问题; 建立了多端口分析模型, 实现了多参量动态特性的测试, 提出了寄生参数补偿的封装技术, 大幅度提升了芯片性能.