三维有序亚微米结构薄膜材料的制备与光学性质

摘要

三维有序亚微米薄膜材料是一类厚度在微米级，以亚微米结构为基本单元按照晶体堆积的方式形成的有序结构。由于其周期性的有序结构对于光波的调制，亚微米结构材料可以作为光子晶体实现对于光的屏蔽与反射增强。目前人们已经在纳米微电子、热电子、生物传感等领域开展对于亚微米结构材料的制备和性质的研究。
　　 本课题旨在以胶体晶体为起始模板，通过采用不同的填充方法制备出不同材料的有序亚微米结构薄膜并研究部分薄膜材料的光学性能，以期发现在可见光区域能展现三维完全带隙的光子晶体。
　　 作为胶体晶体模板的原材料，首先，实验中采用无皂乳液聚合的方法合成单分散度在5％以内，粒径大小为380nm的聚苯乙烯(PS)和250nm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)两种亚微米微球。
　　 之后，以380nm的聚苯乙烯亚微米微球为单元，在FTO导电玻璃上垂直自组装生长聚苯乙烯胶体晶体薄膜。实验表明，以乙醇为分散相，浓度为0.5％，生长温度为30℃时可获得缺陷较少、排列规则、对玻片黏附性好厚度在4μm左右的胶体晶体薄膜。同时，光谱测试显示，该薄膜在400～450nm的范围存在光子带隙区。
　　 在获得高质量的胶体晶体模板后，以其为模板利用溶胶-凝胶、电化学沉积和化学聚合三种方法，分别制备出二氧化硅、氧化铝、金属镍、金属银、聚苯胺五种材料的大孔纳米网结构。对于成膜较好的二氧化硅大孔薄膜，其反射增强与透射衰减区在450nm的左右范围。
　　 最后，将所制得的二氧化硅大孔纳米网薄膜作为二次模板，采用电化学沉积的方式，获得了颗粒大小均匀、排列整齐有序的银亚微米微球阵列结构。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1有序亚微米结构薄膜材料

1.1.1有序亚微米薄膜材料简介

1.1.2胶体晶体

1.1.3光子晶体

1.2有序亚微米薄膜材料的制备方法

1.2.1刻蚀技术

1.2.2模板法

1.3论文选题的方向选择和意义

1.3.1意义

1.3.2所做的工作

1.3.3创新之处

第二章无皂乳液聚合法合成单分散聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球

2.1无皂乳液聚合法原理

2.1.1无皂乳液聚合成核机理

2.1.2无皂乳液聚合增长机理

2.2无皂乳液聚合的反应条件

2.3实验部分

2.3.1实验试剂与仪器

2.3.2实验步骤

2.3.3产物表征

2.4本章小结

第三章自组装法制备聚苯乙烯(PS)与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)胶体晶体及其光学性质

3.1自组装胶体晶体简介

3.2实验试剂与仪器

3.2.1主要试剂

3.2.2主要实验仪器

3.3垂直组装胶体晶体薄膜

3.3.1实验步骤

3.3.2垂直自组装的数学模型

3.3.3胶体晶体的结构

3.3.4胶体晶体薄膜厚度的控制

3.3.5胶体晶体薄膜的光学性质

3.4沉降法制备胶体晶体

3.4.1实验步骤

3.4.2结果分析与讨论

3.5高温溶剂蒸发自组装

3.5.1实验步骤

3.5.3结果与分析

3.6本章小结

第四章胶体晶体模板法制备大孔纳米网

4.1大孔纳米网材料简介

4.2聚苯乙烯(PS)胶体晶体模板的热处理

4.2.1实验步骤

4.2.2实验结果与讨论

4.3溶胶-凝胶法制备大孔纳米网

4.3.1二氧化硅与氧化铝的水解机理

4.3.2实验试剂与仪器

4.3.3实验步骤

4.3.4二氧化硅与氧化铝反模板的结构

4.3.5二氧化硅大孔结构的光学性质

4.4电化学沉积法制备金属大孔纳米网

4.4.1实验试剂与仪器

4.4.2金属电沉积机理

4.4.3实验步骤

4.4.4金属网扫描电镜表征

4.4.5电化学过程表征

4.5合成聚苯胺大孔纳米网

4.5.1实验试剂

4.5.2实验步骤

4.5.3结果与讨论

4.6本章小结

第五章两步模板法制备金属银亚微米微球阵列

5.1合成步骤

5.1.1聚苯乙烯蛋白石薄膜起始模板的合成

5.1.2二氧化硅反蛋白石薄膜模板的合成

5.1.3银胶体晶体薄膜的电沉积制备

5.2结果与讨论

5.3本章小结

第六章结论

参考文献

附录 胶体晶体结构的有序性与图象的傅立叶变换

致谢

研究成果及发表的学术论文

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