專利名稱：制備硫化鎘－二氧化硅核殼結構三維光子晶體的方法
技術領域：
本發明涉及制備硫化鎘—二氧化硅核殼結構三維光子晶體的方法。
背景技術：
光子晶體是由具有不同介電常數(折射率)的材料按照某種空間有序排列的其周期可與光波長相比的人工微結構。作為“光學半導體”，光子晶體具有獨特的調節光傳播狀態的功能，在光電集成、光子集成、光通訊等領域具有非常廣闊的應用前景。近年來，三維光子晶體的研究引起了越來越多研究者的興趣。蛋白石是由單分散二氧化硅球或聚苯乙烯球自組裝形成的具有面心密排結構的膠體晶體，由于小球的粒徑在亞微米量級，目前蛋白石已經成為制備可見光和近紅外波段三維光子晶體的一種廉價的有效手段。蛋白石的制備一般采用重力，離心力和電場力等外場的作用驅使單分散小球形成密排結構。核殼結構由于其獨特的結構、光學和表面性質，最近在包覆學、電子學，光子學、藥物傳送、催化等領域得到了廣泛的應用。由核殼結構自組裝得到的三維蛋白石光子晶體近年來也得到了研究者的廣泛的興趣。由于核和殼材料的折射率不同，通過改變核和殼的尺寸可以調節光子帶隙的位置。理論計算表明由核殼結構組成的光子晶體的光子帶隙特性不同于由均一球自組裝得到的光子晶體。
硫化鎘(CdS)是一種非常重要的II-VI族具有直接的寬帶隙半導體材料，被廣泛應用于電子、光電子領域。由于該材料具有相對高的折射率，在可見光區吸收較少等優越的光學性能，近年來也被應用于光子晶體材料領域。
發明內容
本發明的目的是提供制備硫化鎘—二氧化硅核殼結構三維光子晶體的方法。
本發明的制備硫化鎘—二氧化硅核殼結構三維光子晶體的方法，包括采用化學水浴沉積法制備單分散硫化鎘—二氧化硅核殼結構和再以單分散硫化鎘—二氧化硅核殼結構自組裝制備三維光子晶體。具體步驟如下1)將粒徑均勻的單分散二氧化硅球用超聲振蕩分散在去離子水溶液中，加入濃度為0.01～0.5摩爾/升的檸檬酸鈉作絡和劑，醇胺為表面活性劑，并用氨水調節pH值至8～13，在50℃～90℃恒溫磁力攪拌，然后加入氯化鎘和硫尿，使溶液中氯化鎘的濃度為0.001摩爾/升～0.01摩爾/升，硫尿的濃度為0.002摩爾/升～0.02摩爾/升，反應1～3個小時，得到硫化鎘包裹二氧化硅球的核殼結構懸浮液；2)用去離子水和無水乙醇離心沉積加超聲分散循環清洗，去除反應殘余物，烘干，得到單分散粒徑均勻的硫化鎘—二氧化硅核殼結構；3)將單分散的粒徑均勻的硫化鎘—二氧化硅核殼結構采用超聲振蕩分散在乙醇溶液中，硫化鎘—二氧化硅核殼結構的體積比濃度0.1％～10％；4)將步驟3)所得懸浮液盛放在一個平底容器中，將一清洗干凈的石英襯底垂直放置到溶液中或將石英襯底平放在容器底部，保持容器恒溫于10℃～60℃，且無擾動；5)待容器中溶液蒸發完畢，在垂直或水平放置的襯底上就得到硫化鎘—二氧化硅核殼結構三維光子晶體，然后在200～750℃下進行熱處理，即可。
本發明中，單分散二氧化硅球可以市售或通過“斯托布(Stber)方法”制備，粒徑為10nm到1000nm。所說的粒徑均勻是指相對標準偏差小于10％。所說的醇胺可以是市售的三乙醇胺或二乙醇胺。
本發明方法通過改變二氧化硅球的粒徑，可以調節核殼結構的核的半徑；通過改變檸檬酸鈉和醇胺加入的量和濃度，可以調節硫化鎘包覆二氧化硅核心的速度；改變氯化鎘和硫尿的濃度，可以調節殼的厚度。
通過改變硫化鎘—二氧化硅核殼結構的濃度或者步驟4)的沉積溫度可以調節沉積所得到的三維光子晶體的厚度。
本發明的方法以通過醇胺輔助化學水浴沉積法制得的硫化鎘—二氧化硅核殼結構為結構基元，硫化鎘是一種高折射率材料，在可見光區吸收較少，在二氧化硅球表面包覆硫化鎘，可以提高折射率反差，將該復合結構自組裝制備三維光子晶體，可以增強光子晶體的帶隙特性，還可以通過改變核殼結構的核的半徑徑和殼的厚度來調節光子帶隙所處的位置。由于硫化鎘是一種很好的發光材料，將其復合到光子晶體結構中，可以研究光子晶體帶隙對硫化鎘發光性能的影響。由于硫化鎘對可見光的吸收在短波段，如果以粒徑為200nm左右硫化鎘—二氧化硅核殼結構為結構基元自組裝得到三維光子晶體，其帶隙位置也在短波段，與硫化鎘的吸收波段重合，這樣就能得到具有強衰減寬帶隙的三維光子晶體，這種方法有望開辟制備完全光子帶隙的光子晶體的新途徑。
圖1是單分散硫化鎘—二氧化硅核殼結構的透射電鏡照片；圖2是單分散硫化鎘—二氧化硅核殼結構的場發射掃描電鏡照片；
圖3是單分散硫化鎘—二氧化硅核殼結構的XRD圖譜；圖4是單分散硫化鎘—二氧化硅核殼結構的透射電鏡照片，核殼結構的粒徑約210納米，殼的厚度約為10nm，其相對標準偏差小于7％；圖5是通過將210nm單分散硫化鎘—二氧化硅核殼結構自組裝制備得到三維光子晶體的(111)面的掃描電鏡照片；圖6是由硫化鎘—二氧化硅核殼結構組成的三維光子晶體的紫外可見透射光譜。箭頭所示為由于光在表面和底部干涉產生的Fabry-Perot條紋。
具體實施例方式
實施例1用化學水浴沉積法制備單分散硫化鎘—二氧化硅核殼結構1)將300毫克粒徑為200nm的單分散二氧化硅球用超聲振蕩分散在250毫升去離子水溶液中，加入10毫升0.1摩爾/升的檸檬酸鈉作絡和劑，加入15微升三乙醇胺作表面活性劑，并用氨水調節pH值至11。在60℃恒溫磁力攪拌，然后滴10毫升0.1摩爾/升的氯化鎘和50毫升0.04摩爾/升的硫尿，反應2個小時，得到硫化鎘包裹二氧化硅球的核殼結構的懸浮液，用去離子水和無水乙醇采用離心沉積加超聲分散循環清洗，去除反應殘余物，60℃烘干，得到單分散硫化鎘—二氧化硅核殼結構(如圖1)，從圖中可以看出，硫化鎘均勻包裹在二氧化硅表面，沒有多余的硫化鎘顆粒和雜質凝聚，硫化鎘殼的厚度大約是10nm。
圖2是用場發射掃描電鏡觀察硫化鎘—二氧化硅核殼結構，從圖中可以看出納米硫化鎘顆粒均勻的包覆在二氧化硅球表面。
對所得產物做XRD測試其晶體結構，如圖3所示，由于二氧化硅球是非晶的，譜圖峰與具有六角晶系結構的硫化鎘的譜圖相對應。
實施例2以單分散硫化鎘—二氧化硅核殼結構自組裝制備三維光子晶體將球徑約為210納米，硫化鎘殼厚約為10nm的單分散硫化鎘—二氧化硅核殼結構(如圖4)用超聲振蕩分散在25毫升乙醇溶液中，硫化鎘—二氧化硅核殼結構的體積比濃度約1％；將該懸浮液盛放在一個30毫升的平底容器中，將一清洗干凈的石英襯底上部用夾子夾住，小心垂直放置到懸浮液中，保持容器恒溫(20±2℃))且無擾動。乙醇溶液緩慢蒸發，液面下降，當液面緩慢掃過石英襯底，在毛細管力的作用下單分散硫化鎘—二氧化硅核殼結構自組裝沉積到石英襯底上，當液面下降到石英襯底以下或蒸發完畢時，將石英襯底小心取出，在襯底上得到由單分散硫化鎘—二氧化硅核殼結構組成的三維光子晶體薄膜。將得到的薄膜在350℃熱處理1小時，以去除薄膜中的殘余水份并使薄膜的結構致密強度增加。
圖5是用場發射掃描電鏡觀察由硫化鎘—二氧化硅核殼結構自組裝得到的三維光子晶體的(111)面的堆積結構。從圖中可以看出硫化鎘—二氧化硅核殼結構堆積為六角有序密排。
對所得三維光子晶體測試其紫外可見透射光譜，入射光垂直于光子晶體的(111)面，如圖6所示，由于硫化鎘的折射率較高，以210nm的核殼結構組成的三維光子晶體得到的光子帶隙在短波段，與硫化鎘的吸收波段相重合，這樣得到的光子晶體的透射光譜從310nm～460nm都具有很強的衰減，達到了24分貝，得到了具有很寬帶隙強衰減的三維光子晶體。這種方法有望開辟制備完全光子帶隙的光子晶體的新途徑。
權利要求
1.制備硫化鎘-二氧化硅核殼結構三維光子晶體的方法，其特征是包括以下步驟1)將粒徑均勻的單分散二氧化硅球用超聲振蕩分散在去離子水溶液中，加入濃度為0.01～0.5摩爾/升的檸檬酸鈉作絡和劑，醇胺為表面活性劑，并用氨水調節pH值至8～13，在50℃～90℃恒溫磁力攪拌，然后加入氯化鎘和硫尿，使溶液中氯化鎘的濃度為0.001摩爾/升～0.01摩爾/升，硫尿的濃度為0.002摩爾/升～0.02摩爾/升，反應1～3個小時，得到硫化鎘包裹二氧化硅球的核殼結構懸浮液；2)用去離子水和無水乙醇離心沉積加超聲分散循環清洗，去除反應殘余物，烘干，得到單分散粒徑均勻的硫化鎘-二氧化硅核殼結構；3)將單分散的粒徑均勻的硫化鎘-二氧化硅核殼結構采用超聲振蕩分散在乙醇溶液中，硫化鎘-二氧化硅核殼結構的體積比濃度0.1％～10％；4)將步驟3)所得懸浮液盛放在一個平底容器中，將一清洗干凈的石英襯底垂直放置到溶液中或將石英襯底平放在容器底部，保持容器恒溫于10℃～60℃，且無擾動；5)待容器中溶液蒸發完畢，在垂直或水平放置的襯底上就得到硫化鎘-二氧化硅核殼結構三維光子晶體，然后在200～750℃下進行熱處理，即可。
2.根據權利要求1所述的制備硫化鎘-二氧化硅核殼結構三維光子晶體的方法，其特征是所說的醇胺是三乙醇胺或二乙醇胺。
全文摘要
本發明公開的制備硫化鎘－二氧化硅核殼結構三維光子晶體的方法，包括采用化學水浴沉積法制備單分散硫化鎘－二氧化硅核殼結構和再以單分散硫化鎘－二氧化硅核殼結構自組裝制備三維光子晶體。由于硫化鎘是一種高折射率材料，在可見光區吸收較少，在二氧化硅球表面包覆硫化鎘，可以提高折射率反差，將該復合結構自組裝制備三維光子晶體，可以增強光子晶體的帶隙特性，還可以通過改變核殼結構的核的半徑和殼的厚度來調節光子帶隙所處的位置。采用本發明方法可以得到具有強衰減寬帶隙的光子禁帶的三維光子晶體，其光子帶隙性能顯著增強。
文檔編號H01L31/18GK1581515SQ200410018588
公開日2005年2月16日 申請日期2004年5月19日 優先權日2004年5月19日
發明者楊德仁, 李東升, 謝榮國, 蔣民華 申請人:浙江大學