光子晶体用结构基元的制备、自组装与性能

论文摘要

光子晶体由于具有独特的调节光子传播状态的功能,是光电集成、光子集成和光通信的基础材料。本论文主要研究了单分散SiO2微球、SiO2@CdS核壳微球和CdS空心球等光子晶体用结构基元的制备方法,采用多种自组装手段制备了SiO2蛋白石和CdS反蛋白石光子晶体,结合理论计算研究了它们的光学性质,并建立了在光子晶体中引入可控缺陷的方法,最后研究了光子探针的制备及光学性质。论文的主要创新性结果如下: 1.制备了粒径范围涵盖广（150nm—1μm）,相对标准偏差小于5.0%的SiO2微球。以不同粒径的SiO2微球为结构基元,采用重力沉积、离心沉积和垂直提拉沉积等自组装手段制备了可见波段蛋白石光子晶体。以表面具有微米级周期图案的硅片为衬底,采用垂直提拉法多次生长,在蛋白石光子晶体内部制备了可控的人工微缺陷。 2.建立了一种采用超声辅助化学水浴沉积制备SiO2微球表面包覆CdS的核壳微球（定义为SiO2@CdS）的新方法。该方法简单快捷,无需对SiO2球表面化学改性,CdS壳层致密均匀且厚度可控,溶液中无游离CdS颗粒。采用稀释的HF酸将SiO2@CdS核壳微球中的SiO2内核择优腐蚀后,制备了单分散CdS空心球。所得CdS空心球具有较高折射率（n=2.45）和高空占比,粒径相对标准偏差小于5.0%,壳层厚度（10nm-60nm）可控,结构稳定,是一类新型的半导体基光子晶体结构基元。采用离心沉积法自组装,分别制备了由SiO2@CdS核壳微球和CdS空心球组成的面心立方光子晶体。 3.建立了一种无模板直接制备CdS反蛋白石光子晶体的新方法。先将CdS空心球自组装成面心立方光子晶体,然后在400℃下热处理,使CdS空心球收缩,得到了具有高填充率的CdS反蛋白石光子晶体。该方法打破了采用蛋白石模板来制备反蛋白石光子晶体的传统,直接以高折射率材料为结构基元自组装制备三维光子晶体,避免了模板法中复杂的填充过程和破坏性的模板去除过程。微区反射光谱表明:由直径为400nm的CdS空心球组成的反蛋白石光子晶体在530nm和920nm附近存在两个[111]方向性带隙,与光子能带的理论计算结果相符。 4.建立了一种在CdS反蛋白石光子晶体制备可控点缺陷的新方法。在环境扫描电镜样品腔中引入一定压强（10Pa-100Pa）的气体,利用聚焦纳米电子束进行精密照射,实现了对CdS反蛋白石光子晶体中单个“原子”的精密控制,在反蛋白石光子晶体中可控制备了空位缺陷和杂质缺陷。研究了缺陷形成机

论文目录

• 第1章 绪言
• 1.1 研究的背景和意义
• 1.2 问题的提出
• 1.3 本文的工作
• 第2章 文献综述
• 2.1 引言
• 2.2 光子晶体的基本理论
• 2.2.1 光子晶体的基本概念
• 2.2.2 光子晶体能带的理论计算
• 2.2.3 完全光子带隙的实现
• 2.3 光子晶体的制备
• 2.3.1 精密加工法
• 2.3.2 自组装法
• 2.3.2.1 胶体晶体
• 2.3.2.2 反蛋白石结构
• 2.4 光子晶体中可控缺陷的制备和引入
• 2.5 光子晶体中的光子探针
• 2.6 光子晶体的应用前景
• 第3章 实验原理、测试仪器和光子能带理论计算
• 3.1 实验方法和原理
• 3.1.1 自沉降法
• 3.1.2 离心沉降法
• 3.1.3 垂直提拉法
• 3.2 测试仪器
• 3.2.1 X射线衍射（XRD）
• 3.2.2 透射电子显微镜（TEM）
• 3.2.3 扫描电镜（SEM）
• 3.2.4 环境扫描电镜（Environmental SEM）
• 3.2.5 紫外可见光谱（UV-Vis）
• 3.2.6 微区反射光谱的测试
• 3.2.7 高分辨阴极射线荧光光系统（CL）
• 3.2.8 热解吸附谱（TDS）
• 3.3 光子晶体能带结构的理论计算
• 3.4 本章小结
• 2微球的制备及其自组装'>第4章 光子晶体用SiO₂微球的制备及其自组装
• 4.1 引言
• 2微球的制备'>4.2 光子晶体用单分散SiO₂微球的制备
• 2微球'>4.2.1 传统St（o|¨）ber法制备单分散SiO₂微球
• 4.2.2 传统St（o|¨）ber法的改进
• 4.3 蛋白石光子晶体的自组装制备
• 4.3.1 重力沉降法制备蛋白石光子晶体
• 4.3.2 离心沉降法制备蛋白石光子晶体
• 4.3.3 垂直提拉法制备蛋白石光子晶体及其带隙调制
• 2球的提拉自组装研究'>4.3.3.1 不同粒径SiO₂球的提拉自组装研究
• 4.3.3.2 蛋白石光子晶体异质结的制备
• 4.3.3.3 蛋白石光子晶体薄膜的厚度控制方法
• 4.3.3.4 热处理对蛋白石薄膜光子赝带隙的调制
• 4.4 蛋白石光子晶体中微缺陷的可控制备
• 4.5 本章小结
• 2@CdS核壳微球和CdS空心球的制备'>第5章 光子晶体用SiO₂@CdS核壳微球和CdS空心球的制备
• 5.1 引言
• 2@CdS核壳微球的制备研究'>5.2 SiO₂@CdS核壳微球的制备研究
• 5.2.1 方法思路及实验设计
• 2球表面的均匀致密沉积和游离杂颗粒的消除'>5.2.2 SiO₂球表面的均匀致密沉积和游离杂颗粒的消除
• 2@CdS核微球的制备'>5.2.3 不同粒径SiO₂@CdS核微球的制备
• 5.2.4 CdS壳层的生长及厚度控制
• 2@CdS核壳微球的形成机理分析'>5.2.5 SiO₂@CdS核壳微球的形成机理分析
• 5.3 CdS空心微球的制备研究
• 2@CdS核壳微球SiO₂内核的去除'>5.3.1 SiO₂@CdS核壳微球SiO₂内核的去除
• 5.3.2 CdS空心球壳层的厚度控制
• 5.3.3 CdS空心球的稳定性
• 5.4 本章小结
• 2@CdS核壳微球和CdS空心球的自组装'>第6章 SiO₂@CdS核壳微球和CdS空心球的自组装
• 6.1 引言
• 2@CdS核壳微球的自组装研究'>6.2 SiO₂@CdS核壳微球的自组装研究
• 2@CdS核壳微球“屋”和“墙”的自组装制备'>6.2.1 SiO₂@CdS核壳微球“屋”和“墙”的自组装制备
• 2@CdS核壳微球面心立方结构的自组装制备'>6.2.2 SiO₂@CdS核壳微球面心立方结构的自组装制备
• 6.3 CdS空心球的自组装研究
• 6.3.1 CdS空心球单层膜的制备
• 6.3.2 CdS空心球面心立方结构的制备
• 6.4 无模板自组装制备反蛋白石光子晶体
• 6.4.1 CdS空心球面心立方结构向CdS反蛋白石结构的转变
• 6.5 CdS反蛋白石光子晶体中点缺陷的可控制备
• 6.5.1 空位缺陷的精密制备
• 6.5.2 单个杂质缺陷的可控制备
• 6.5.3 缺陷制备的机理分析
• 6.5.4 缺陷制备的普适性证明
• 6.6 本章小结
• 2@CdS核壳发光微球的制备'>第7章 光子晶体用稀土掺杂SiO₂@CdS核壳发光微球的制备
• 7.1 引言
• 7.2 方法思路和实验过程
• 7.3 可见波段稀土掺杂复合微球的制备
• 7.4 近红外波段稀土掺杂复合微球的制备
• 7.5 稀土掺杂微球发光的稳定性
• 7.6 本章小结
• 第8章 光子晶体用ZnO发光橄榄球的制备和光学性质调控
• 8.1 引言
• 8.2 实验过程
• 8.3 粒径均一的ZnO橄榄球的制备和形貌调控
• 8.4 ZnO橄榄球的独特光学性质及其调控
• 8.5 低温热处理对ZnO紫外发光增强的机理研究及应用
• 8.5.1 低温热处理对ZnO紫外发光增强效应的普适性及机理研究
• 8.5.2 低温热处理增强ZnO紫外发光的启示及其应用
• 8.6 ZnO橄榄球自组装的初步探索
• 8.7 本章小结
• 第9章 总结
• 参考文献
• 攻读博士期间发表提交的论文和申请的专利
• 致谢