论文摘要
本论文以复杂胶体晶体为主要研究对象,基于逐层生长、共沉积和结晶化胶体阵列等三种制备方法,系统研究了其形成机制、微观结构及光子带隙性质。发展了基于逐层生长方式的模板辅助电场诱导沉积方法,研究发现模板层中微球与水的介电失配是二元胶体晶体形成的驱动力,模板层内间隙位置的空间限制是影响二元胶体晶体结构的动力学因素。系统讨论了微球粒径比、乳液体积分数、电场加载条件等因素对二元胶体晶体结构的影响。该方法突破了现有逐层生长方法在微球粒径比方面的限制,并首次制备了三元胶体晶体。采用加速蒸发沉积方法制备二元胶体晶体,讨论了微球粒径比和数量相对比例对所得二元胶体晶体结构的影响。从空间填充的角度论证了毛细作用力诱导共沉积制备二元胶体晶体的临界粒径比为0.33。实验证明,当微球粒径比高于该值时,大球将无法形成具有密排有序结构的基本点阵,所得二元胶体晶体的有序度很低。这与现有文献报道一致。以二元胶体晶体为模板,通过溶胶-凝胶方法制备了二氧化硅复杂有序多孔膜。这种膜继承了胶体晶体模板的结构,微孔尺寸比模板中微球有一定收缩。通过离子交换方法制备了结晶化胶体阵列,研究表明其光子带隙波长与微球体积分数的关系满足Bragg公式。实验考察了不同溶剂类型对结晶化胶体阵列光子带隙的影响,证实了其光子带隙对染料发光的抑制作用。通过紫外光引发聚合制备了聚合结晶化胶体阵列,实验证明:在一定载荷范围内,聚合结晶化胶体阵列的光子带隙与外加压力呈可逆线性关系。首次制备了二元结晶化胶体阵列,并研究了其中微球排列结构及光子带隙与微球有效粒径差异的关系。发现当有效粒径相差较小时,二元阵列的光子带隙及微球有序点阵的有效晶格常数与微球百分数呈线性关系;当差异较大时,乳液中微球堆积呈无序-有序混合结构,光子带隙性质也有所劣化。对比发现二元结晶化胶体阵列与固溶体在微观结构、相变行为等方面存在很高的相似性,提出其可作为凝聚态物理、金属物理学等领域的研究模型,并在光子晶体等诸多等领域具有潜在的应用价值。