三维可控缺陷态光子晶体的制备方法

摘要

本发明涉及一种三维可控缺陷态光子晶体的制备方法，该方法采用单光束光镊法与自组织法相结合制备可控缺陷态的三维光子晶体。三维光子晶体是由单分散的微粒组成，用光镊控制适当的小球，制成大面积无缺陷的单晶光子晶体。还可以在光子晶体制备的过程中引入缺陷，制备具有可控缺陷态的三维光子晶体。本发明克服了以往单纯自组织生长三维光子晶体无法控制缺陷态的缺点，达到在自组织生长三维光子晶体时缺陷态可以任意设置。该方法易于操作，制作的三维光子晶体的缺陷态控制准确。

说明书

发明领域

本发明涉及一种光子晶体的制备方法，特别是一种三维可控缺陷态光子晶体的制备方法。

背景技术

就目前而言，在光子晶体的制备领域，仍存在着众多的困难和挑战有待克服与解决。一方面，在精细加工领域，刻蚀技术的极限限制了光子带隙向可见光波段移动；另一方面，自组织法虽然有望制备可见光波段的光子晶体，但是此方法难于控制晶体的生长过程，所制备的胶体晶体通常呈多晶结构，无法控制晶体生长过程中的缺陷态，因而影响了光子晶体在实际中的应用。

光镊是利用光与物质间动量传递的力学效应而形成的三维梯度光阱来操纵微粒的技术。基于光镊的独特工作原理它可用于微小颗粒的捕获与操纵[文献1：Askin A，Dziedic J M，Bjorkholm J E，et al.Observation of a single-beam gradient forceoptical trap for dielectric particles.Opt.Lett，1986，11(5)：288-290]。

迄今为止，在公开的文献中尚未发现有利用光镊系统来实现可控缺陷光子晶体的制备。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺点，使用光镊系统对光子晶体的生长过程进行控制，通过人为的操作消除晶体中的缺陷或者引进缺陷，从而提供了一种三维可控缺陷态光子晶体的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的一种三维可控缺陷态光子晶体的制备方法，包括如下步骤：

(1)将溶剂与定量均匀直径的实心固体小球混合形成悬浊液；小球总体积与悬浊液的体积比在1∶1000～1∶100之间；然后振荡悬浊液，使得小球在悬浊液中形成单分散的均匀分布；

(2)在悬浊液中放入酸溶液，调节悬浊液的pH值在4～5之间；

(3)选取一平面基片，用聚焦离子束在基片上打出直径均匀的小洞，小洞成周期性排列；相邻小洞之间的距离等于小球直径，且相邻小洞无重合部分；单个小洞的直径小于小球直径；

(4)将制备好的悬浊液滴在平面基片上，悬浊液中的小球自动的在基片上的小洞上面自组织排列；控制滴加的悬浊液的体积，使得小球在平面基片上为1～2层；

(5)使用光镊系统的激光光镊俘获所述平面基片上的小球，并移动小球，使得小球在平面基片上形成与平面基片小洞相同的周期性排列；

(6)按顺序重复步骤(4)和(5)，直到制备出所需大小的无缺陷的光子晶体；在制备无缺陷光子晶体的过程中，在步骤(5)之后，滴加与所述实心固体小球不同介质的异质小球悬浊液，使用光镊俘获所述异质小球，并移动至需要缺陷的位置，然后继续按顺序重复步骤(4)和(5)，直到制备出所需大小的有缺陷的光子晶体；所述的异质小球悬浊液的制备方法同步骤(1)和(2)；所述的异质小球的直径与所述的实心固体小球直径相等。

所述的本发明的光镊系统如图1所示：其中M₂、M₃为对激光全反的半透半反镜，透镜L3和M₂、M₃共同构成照明系统。氦氖激光光束经透镜L1、L2扩束，光斑直径为8mm。激光光束经全反镜M₁、半透半反镜M₂、M₃沿物镜的法线方向射入物镜，此激光光束构成光镊光。光源发出的照明光首先经M2透射，在经M₃反射，经物镜(1.25/100)射在样品池上。然后样品池将部分照明光反射，反射光经物镜和办反半透镜M₃和透镜L₄进入目镜，构成观察光。样品池固定在三维压电电动平移台上。调整物镜上下的位置，形成光镊势阱，并能观察晶体的形成过程。

本发明提供的方法是采用单光束光镊法与自组织法相结合制备可控缺陷态的三维光子晶体，该三维光子晶体是由单分散的微粒组成，用光镊控制小球放置在适当的，而制成大面积无缺陷的单晶光子晶体；并且进而用光镊控制小球在光子晶体中引入缺陷，制备具有可控缺陷态的三维光子晶体。本发明克服了以往单纯自组织生长三维光子晶体无法控制缺陷态的缺点，达到在自组织生长三维光子晶体时控制缺陷态可以任意设置，该方法易于操作，制作的三维光子晶体的缺陷态控制准确。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明进行详细描述：

图1是本发明的光镊系统图

图2是本发明实施例1和2中的基片模板图

图3是本发明实施例1中单层光子晶体电镜扫描图

图4是本发明实施例3中存在点缺陷的光子晶体电镜扫描图

图面说明

1.25/100水浸物镜1     10×目镜2    样品池3   三维电动移动平台4

凹透镜L1              凸透镜L2     焦距100mmde凸透镜L3

焦距为200mm凸透镜L4   全反平面镜M1 6328全反的半反半透M2

6328全反的半反半透镜M3

具体实施方式

实施例1：

应用图1的光镊系统制备一完全无缺陷态单晶光子晶体，其制备步骤如下：

1)在si平面基片上用聚焦粒子束打直径为0.8um，深0.25um的洞，相邻小洞之间的距离为1um，该洞呈六角形周期排列，面积大约为343.6um²，如图2所示；

2)取厚度为30um，大小为20×20mm的塑料薄膜，中间开直径5mm的孔，用强力胶将塑料薄膜粘在si平面基片上，使si平面基片上洞的位置与塑料薄膜孔的位置相对应，做成样品池；

3)配制小球悬浊液：将水与定量直径为1um的实心SiO₂小球混合形成悬浊液；小球总体积与悬浊液的体积比在1∶1000；然后振荡悬浊液，使得小球在悬浊液中形成单分散的均匀分布；然后在悬浊液中放入盐酸，调节悬浊液的pH值在4；

4)将步骤2)做好的样品池固定在光镊系统中的三维电动平移台上，将一滴步骤3)配好的悬浊液滴入样品池中，在显微物镜1下进行观察，单分散的SiO₂小球会在重力作用下自组织沉积到样品池的基底上，嵌入模板上已刻好的洞中，排光子晶体的第一层结构，如图3所示；    

5)将光斑半径为2mm的激光光束通过扩束成平行光，光斑直径为8mm.平行光沿物镜的法线方向射入到样品池上，用光镊光产生的势阱俘获实心SiO₂小球；同时移动三维电动平移台，带动样品池移动，把俘获的实心SiO₂小球放入有缺陷的位置；

6)第一层晶体排完后，在第一层的基础上，用4)～5)的步骤进行第二层光子晶体的构造。

7)重复4)～6)的步骤，构造十层完全无缺陷态的三维光子晶体；所述的本实施例的光镊系统如图1所示：其中6328全反的半反半透M2、6328全反的半反半透镜M3为对激光全反的半透半反镜，焦距100mmde凸透镜L3和M₂、M₃共同构成照明系统。氦氖激光光束经凹透镜L1、凸透镜L2扩束，光斑直径为8mm。激光光束经全反平面镜M1、半透半反镜M₂、M₃沿物镜的法线方向射入1.25/100水浸物镜1，此激光光束构成光镊光。光源发出的照明光首先经M₂透射，在经M₃反射，经物镜(1.25/100)射在样品池3上。然后样品池将部分照明光反射，反射光经物镜和办反半透镜M₃和焦距为200mm凸透镜L4进入10×目镜2，构成观察光。样品池固定在三维压电电动平移台4上。调整物镜上下的位置，形成光镊势阱，并能观察晶体的形成过程。

实施例2：存在缺陷态光子晶体的制备方法，按以下步骤进行：

首先配制聚苯乙烯小球悬浊液：该所用的小球悬浊液为用水与定量直径为1um的实心聚苯乙烯小球，按小球总体积与悬浊液的体积比在2∶1000；然后振荡悬浊液，使得小球在悬浊液中形成单分散的均匀分布；然后在悬浊液中放入盐酸，调节悬浊液的pH值在4；

然后进行如下步骤：

步骤1)～6)与实例1中步骤1)～6)相同

7)当排第四层晶体时，滴加已配好的聚苯乙烯小球悬浊液；

8)在样品池的中间位置处利用光镊放上三个聚苯乙烯小球，引入缺陷。

9)在第四层的其他位置处排好无缺陷态的SiO₂小球。

10)重复4)～6)的步骤，制备出含缺陷态的三维光子晶体；

此过程为缺陷态光子晶体的制备的全过程。

实施例3：

步骤与实施例2相似，不同之处在于，本实施例中的缺陷不是引入另外一种小球，所配制的小球悬浊液为：水与定量直径为1um的实心SiO₂小球按小球总体积与悬浊液的体积比在1∶100混合形成悬浊液；并在制备的过程中，将一个小球移去，留出空位造成缺陷，其光子晶体的电镜扫描图如图4所示。