外加电场控制胶体粒子自组装及三维光子晶体的制备

摘要

外加电场控制胶体粒子自组装及三维光子晶体的制备方法:首先对制备的二氧化硅等径微球悬浮液调节pH值4－12,然后通过在微球悬浮液中施加直流外电场,电场强度为50－500V/cm,使带某种特定电荷的微球在外电场的作用下,在平板导电玻璃等平板上定向沉积,从而形成三维周期性排列长程有序结构的模板。本发明可以制备出长程排列有序的三维周期性模板。沉积时间短,效率高,制备的三维周期性排列长程有序结构的模板质量高。

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种材料的制备，尤其是通过施加直流外电场来控制胶体粒子自组装及制备三维光子晶体的方法，即对二氧化硅等径微球通过施加直流外电场进行自组装，制备出二氧化硅的三维光子晶体。

二、背景技术

对三维周期性排列长程有序光子晶体的研究，不仅具有重要的科学研究价值，而且也具有重要的实用价值。三维周期性排列长程有序光子晶体不仅在现阶段的微电子和光电子领域中具有广阔的应用前景，而且在将来的光子领域中同样具有极其广阔的应用前景。比如说，光通讯、光开关、光波导等方面具有极其广阔的实际应用价值。

对三维周期性排列长程有序结构模板的制备，现有技术通常采用将悬浮液静置沉降的方法，该方法实质上是利用了重力场的作用，将悬浮液中的微球通过自身重力的作用，沉积在物体表面。(参见“3 D long-range ordering in an SiO₂submicrometer-sphere sintered superstructure”，R.Mayoral et al.，Advanced Materials，1997，9，No.3，257；“Concentration-dependent sedimentation of dilute magneticfluids and magnetic silica dispersions”，L. N. Donselaar et al.，Langmuir，1997，13，6018；“Evidence of FCC crystallization of SiO₂ nanospheres”，H. Miguez et al.，Langmuir，1997，13，6009)

然而该方法具有很大的局限性，当悬浮液中微球布朗运动的作用力与微球本身的重力相等时，用该方法就不能制备出三维周期性排列长程有序结构的模板，并且对于粒径较小的微球，用该方法制备需很长的沉积时间，效率低，且不一定能制备出高质量的三维周期性排列长程有序结构的模板。

三、发明内容

本发明是通过施加直流外电场的方法对于带有某种特定电荷的微球，在电场力的作用下制备出三维周期性排列长程有序结构的模板，且对粒径很小的微球，也可用该方法制备。这是因为若微球粒径较小，当本身的作用力与悬浮液中布朗运动的作用力相等时，可通过提高所施加直流外电场的电压或缩短两电极之间的距离，从而提高电场强度，使作用在微球上的电场力大于微球布朗运动的作用力，从而有可能使粒径小的微球在电场力的作用下定向沉积，形成质量较好的三维周期性排列长程有序结构的模板。

本发明的目的是：利用所加直流外电场的作用，使带有负电荷的二氧化硅微球在所加外电场的作用下，在平板导电玻璃等平板上能自组装成三维周期性排列有序的结构。并只需要较短的沉积时间，具有较高的效率，保证制备出高质量的三维周期性排列长程有序结构的模板。

本发明的目的是这样实现的：本发明采用一种简便可行的方法，首先对制备的二氧化硅等径微球悬浮液调节pH值4-12，然后通过在微球悬浮液中施加直流外电场，电场强度为50-500V/cm，使带某种特定电荷的微球在外电场的作用下，在平板导电玻璃等平板上定向沉积，从而形成三维周期性排列长程有序结构的模板。

对制备的二氧化硅等径微球悬浮液调节pH值为8-10范围，使悬浮液中微球的ζ-电位达到较小乃至最小值，再进行外加电压沉积。

本发明的特点是：从对悬浮液中的二氧化硅微球施加直流外电场的效果来看，可以制备出长程排列有序的三维周期性模板。本发明方法的沉积时间短，效率高，制备的三维周期性排列长程有序结构的模板质量高。

四、附图说明

以下结合附图并通过实施例对本发明作进一步说明；

图1为本发明方法的装置结构示意图，即通过施加直流外电场的装置示意图。

图2为二氧化硅微球ζ-电位和pH值的关系图，纵座标为ζ-电位，横座标为pH值。

图3为三维周期性排列长程有序结构模板表面的SEM照片(100V/cm的电场强度)

图4为三维周期性排列长程有序结构模板截面的SEM照片(100V/cm的电场强度)

图5为在500V/cm的电场强度条件下的板表面的SEM照片

五、具体实施方式

方法的实施例图见图1。照片上有尺寸标记。

电场强度：50-500V/cm，上电极1接负，下电极2接正，这根据悬浮液中微球的ζ-电位的正负来确定接法。若悬浮液中微球3ζ-电位为负，则上电极接负，下电极接正；若悬浮液中微球的ζ-电位为正，则上电极接正，下电极接负。上电极与下电极之间的距离为d。

衬底材料：ITO(Indium Tin Oxide)导电玻璃4或金属平板。

二氧化硅等径微球悬浮液调节方法：将正硅酸乙酯(tetraethylorthosilicate，TEOS)逐步加入到含氨水的乙醇溶液中，在恒定的温度下(试验所用的温度范围为40-65℃)，电磁搅拌24小时，获得等径二氧化硅微球。通过控制TEOS和氨水的浓度来调节等径二氧化硅微球的尺寸。通过氨水滴加的量来调节pH值。(用湿化学法制备，直径为530nm左右)。悬浮液中的微球：等径二氧化硅微球。

根据图1所示的装置，在施加直流外电场的条件下，可制备出三维周期性长程有序排列的模板。

在制备三维周期性排列长程有序结构模板的过程中，首先研究了不同pH值对悬浮液中二氧化硅微球ζ-电位的影响(见图2)。在pH值＝8-9.0的条件下，发现在pH值为9.0时，悬浮液中二氧化硅微球ζ-电位有最小值。将此pH值作为加直流外电场的最佳pH值。

然后，在pH值＝8-9.0的条件下，对二氧化硅微球悬浮液施加直流电场，上下电极间距离为1cm，外加电压100V，待二氧化硅悬浮液中溶剂挥发后，可制备出薄膜状试样，对该试样进行扫描电子显微镜观察(Scanned ElectronicMicroscopy，SEM)，其中试样表面的SEM照片见图3。从图3可看出，二氧化硅微球排列成长程有序结构。为了证明所得试样在三维方向是有序排列的，对试样的截面也进行了SEM观察，见图4。从图4可看出，同样，二氧化硅也排列成有序结构。从而证明制备出了三维周期性排列长程有序结构模板。

电场强度500V/cm的实施例见图5，在0.5V/cm、5V/cm和1000V/cm的效果较差，不能保持一个良好的三维周期性排列长程有序结构的模板。下电极接其它金属板，如铜、铝板等。下电极接导电玻璃的目的是为了便于以后的测试性能。