專利名稱：基于表面等離子體效應(yīng)的全有機一維光子晶體及制備方法
基于表面等離子體效應(yīng)的全有機一維光子晶體及制備方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于光子晶體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種由有機聚合物薄膜和分散納米顆粒 的有機聚合物薄膜疊加形成的一維光子晶體。
背景技術(shù)：
光子晶體是由兩種或者兩種以上的介電材料在空間周期性排列所形成的一種新 型的光子學(xué)材料。這種材料在1987年由S. John和E. Yablonovitch分別獨立提出，由于其 在太陽能電池、低閾值激光器、亞波長集成光路、非線性光學(xué)以及負(fù)折射等領(lǐng)域的重要應(yīng)用 價值而引起人們的廣泛關(guān)注。在光纖通訊領(lǐng)域，光子晶體光纖相比于傳統(tǒng)光纖具有無可比 擬的優(yōu)勢，并且市場上已經(jīng)出現(xiàn)相應(yīng)的產(chǎn)品。
事實上，在光子晶體的概念提出之前，層狀介電系統(tǒng)即一維光子晶體早已獲得了 廣泛的研究和應(yīng)用，例如濾波片、反射鏡等重要光學(xué)元件便可以用多層膜結(jié)構(gòu)制成。然而目 前一維光子晶體主要采用無機材料，例如二氧化硅、氟化鎂、氧化鋁、磷化銦、氮化鎵等，并 主要利用真空熱蒸發(fā)、磁控濺射、化學(xué)氣相沉積等真空鍍膜方法制備。
目前，阻礙該行業(yè)發(fā)展的主要的問題之一是，在這些材料中有些合成起來是非常 困難且非常昂貴的，而真空鍍膜方法也需要昂貴的設(shè)備、復(fù)雜的工藝。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用金或銀納米顆粒和聚合物材料、利用旋涂法制備一維光子晶體結(jié)構(gòu)。 由于金或銀的納米顆粒的等離子體共振頻率在可見光范圍內(nèi)，使得該系統(tǒng)在可見光和近紅 外譜段具有良好的帶隙特性。且該系統(tǒng)具有制備工藝簡單、成本低廉，適于現(xiàn)代工業(yè)流水線 批量生產(chǎn)的優(yōu)點。基于以上特點和優(yōu)勢，該有機聚合物一維光子晶體可在濾波片、高反鏡等 光學(xué)元件和光通訊器件中具有重要的應(yīng)用價值。
本發(fā)明的目的是提供了一種由有機聚合物薄膜和均勻分散納米顆粒的有機聚合 物薄膜交替疊加形成的一種全有機一維光子晶體，其制備工藝簡單、成本低廉，以解決目前 使用的材料合成困難、昂貴，且制備其所用真空鍍膜方法涉及設(shè)備昂貴、工藝復(fù)雜的難題。 并能廣泛地應(yīng)用于有關(guān)的光學(xué)器件中。
本發(fā)明的全有機一維光子晶體的結(jié)構(gòu)是，利用旋涂法在基底上制備納米顆粒分散 聚合物薄膜，然后在納米顆粒分散聚合物薄膜上制備純聚合物薄膜；每兩層薄膜作為一對 薄膜組合，根據(jù)實際需要一維光子晶體的結(jié)構(gòu)可以是η對薄膜組合，η的最小值大于10。
每一對組合的兩層薄膜的上下順序是可以任意選擇的，即也可以先在基底上制備 純聚合物薄膜，然后在純聚合物薄膜上制備納米顆粒分散聚合物薄膜。
下面以PMMA(聚合物聚甲基丙烯酸甲酯PolymethylMethacrylate)作為純聚合 物，實現(xiàn)本發(fā)明的具體制備過程如下
1)利用化學(xué)法在溶液中制備金或銀納米顆粒
將PVP (聚乙烯吡咯烷酮polyvinyl pyrrolidone)和相應(yīng)的金屬化合物——即制備金納米顆粒使用的氯金酸或制備銀納米粒子使用的硝酸銀——固體粉末溶解在無水乙 醇中，持續(xù)攪拌，直到固體粉末完全溶解；該溶液經(jīng)過陳化過程便制備成分散金或銀納米顆 粒的PVP聚合物溶膠；
2)將聚合物PMMA，溶解到溶劑三氯甲烷中，配置成PMMA聚合物溶液；
3)利用超聲波清洗儀將光學(xué)平整的基底分別用丙酮和去離子水清洗后，用烘箱將 其烘干；
4)利用旋涂法將分散納米顆粒的PVP聚合物溶膠在基底上制備成納米顆粒分散 聚合物薄膜，然后在納米顆粒分散聚合物薄膜上制備PMMA聚合物薄膜；每兩層薄膜作為一 對薄膜組合，每一層薄膜制備完畢都要放入烘箱中在100攝氏度下烘焙一個小時；
5)在步驟4)中，制備的一對薄膜基礎(chǔ)之上，重復(fù)步驟4)的過程，制備η對組合薄 膜(η的最小值為10)，η對組合薄膜即構(gòu)成一維光子晶體。
每層薄膜的厚度由聚合物溶液濃度和旋涂制膜時的轉(zhuǎn)速決定；膜層設(shè)計的厚度是 根據(jù)純聚合物的折射率參數(shù)選取的，選取的原則是兩種聚合物薄膜的有效厚度取相同的值 (該值稍小于預(yù)期的禁帶中心波長的四分之一，具體的差值依賴于分散納米顆粒的濃度和 膜層厚度)。
當(dāng)利用表面等離子體效應(yīng)最為顯著的Ag納米球以體積比10%分散到形成周期性 聚合物多層膜結(jié)構(gòu)中其中一種聚合物后，多層膜結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)異的帶隙特性，即透過率為 0.0%時對應(yīng)的譜帶寬度可達(dá)80nm，反射率在較大入射角-10°——+10°范圍內(nèi)基本保持 不變，且可以通過調(diào)節(jié)膜層厚度來控制帶隙中心波長位置(中心波長可以實現(xiàn)在可見光到 近紅外這一范圍調(diào)諧)，以適合不同的應(yīng)用需求。
本發(fā)明的有益效果是
所提供的這種一維純有機聚合物光子晶體，相對于目前通過真空鍍膜制備的無機 光子晶體，制備工藝要大大簡化，材料和制備成本大大降低，解決了目前使用的材料合成困 難、昂貴，且制備其所用真空鍍膜方法涉及設(shè)備昂貴、工藝復(fù)雜的難題。并且把材料做成溶 膠的方法成膜能夠制備大面積的器件。
而且本發(fā)明這種多層膜結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)異的帶隙特性，即透過率為0. 0%時對應(yīng)的 譜帶寬度可達(dá)80nm，且可以通過調(diào)節(jié)膜層厚度來控制帶隙中心波長位置(中心波長可以實 現(xiàn)在可見光到近紅外這一范圍調(diào)諧)，使適應(yīng)用的范圍更加廣泛。


由聚合物多層薄膜組成的一維光子晶體的結(jié)構(gòu)示意圖
PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯 Polymethy IMethacrylate)薄膜 l、PVP:Ag(分散 Ag 納 米顆粒的聚乙烯吡咯烷酮polyvinyl pyrrolidone)薄膜2、基底具體實施方式
下面以PMMA和Ag納米顆粒分散濃度為10 %的PVP為例對本發(fā)明PMMA/PVP Ag 一 維光子晶體結(jié)構(gòu)的制備過程作更詳細(xì)的描述。
第一步將0. 252克PVP和0. 383克硝酸銀溶解在40毫升無水乙醇中，利用磁力 攪拌器持續(xù)攪拌。PVP和硝酸銀粉末逐漸溶解，同時溶液逐漸變?yōu)榍辶恋狞S褐色；該溶液經(jīng)過陳化過程便制備成銀納米顆粒分散PVP聚合物溶膠；要求聚合物溶膠中的納米粒子大小 在幾納米到幾十納米；當(dāng)固體粉末完全溶解后，通過測量光學(xué)吸收譜，可以觀察到銀納米粒 子的等離子體共振吸收峰大約在420納米左右；
第二步將PMMA聚合物放入三氯甲烷溶劑中，不斷攪拌直到PMMA完全溶解，配成 濃度為10%的PMMA聚合物溶液；
第三步利用超聲波清洗儀將面積為2X2cm2、厚度為Imm的石英或K9光學(xué)玻璃基 底3分別用丙酮和去離子水多次清洗后，用烘箱將其烘干；
第四步利用滴管將均勻的、呈黃褐色的分散銀納米顆粒的PVP溶液滴置到清潔 的基底3上。通過旋涂的辦法制成PVP薄膜2，旋涂轉(zhuǎn)速慢速500轉(zhuǎn)/分，涂膜時間3秒； 快速2000轉(zhuǎn)/分，涂膜時間20使樣品中的溶劑充分蒸發(fā)、改善薄膜質(zhì)量并增加薄膜在基底 上的附著強度；
第五步在制備好的銀納米顆粒分散PVP薄膜2表面滴上PMMA聚合物溶液，用與 第四步同樣的程序和參數(shù)來旋涂PMMA薄膜1。旋涂完畢后，放入烘箱中于100攝氏度烘焙 1小時；
第六步重復(fù)第四步和第五步，交替旋涂厚度一定的、周期數(shù)為16(即η等于16) 的PVP膜和PMMA膜構(gòu)成的周期性多層膜結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1 一種基于表面等離子體效應(yīng)的全有機一維光子晶體，其特征是全有機一維光子晶 體的結(jié)構(gòu)是，利用旋涂法在基底上制備納米顆粒分散聚合物薄膜，然后在納米顆粒分散聚 合物薄膜上制備純聚合物薄膜；每兩層薄膜作為一對薄膜組合，組合成η對薄膜即為一維 光子晶體，η的最小值大于10。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全有機一維光子晶體，其特征是每一對組合的兩層薄膜的 上下順序是可以任意選擇的，即也可以先在基底上制備純聚合物薄膜，然后在純聚合物薄 膜上制備納米顆粒分散聚合物薄膜。
3.一種基于表面等離子體效應(yīng)的全有機一維光子晶體的制備方法，其特征是以PMMA 作為純聚合物，實現(xiàn)本發(fā)明的具體制備過程如下1)利用化學(xué)法在溶液中制備金或銀納米顆粒即將PVP和相應(yīng)的金屬化合物一即制備金納米顆粒使用的氯金酸或制備銀納米粒子 使用的硝酸銀一固體粉末溶解在無水乙醇中，持續(xù)攪拌，直到固體粉末完全溶解；該溶液 經(jīng)過陳化過程便制備成含有金或銀的分散納米顆粒的PVP聚合物溶膠；2)將聚合物ΡΜΜΑ，溶解到溶劑三氯甲烷中，配置成PMMA聚合物溶液；3)利用超聲波清洗儀將光學(xué)平整的基底分別用丙酮和去離子水清洗后，用烘箱將其烘干；4)利用旋涂法將納米顆粒分散PVP聚合物溶膠，在基底上制備成納米顆粒分散聚合物 薄膜，然后在納米顆粒分散聚合物薄膜上制備PMMA聚合物薄膜；每兩層薄膜作為一對薄膜 組合，每一層薄膜制備完畢都要放入烘箱中在100攝氏度下烘焙一個小時；5)在步驟4)中，制備的一對薄膜基礎(chǔ)之上，重復(fù)步驟4)的過程，制備η對組合薄膜(η 的最小值為10)，η對組合薄膜即構(gòu)成一維光子晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全有機一維光子晶體制備方法，其特征是所述的步驟1) 中，聚合物溶膠中的納米粒子大小在幾納米到幾十納米。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全有機一維光子晶體制備方法，其特征是所述的步驟4) 中，制備的每層薄膜的厚度由聚合物溶液濃度和旋涂制膜時的轉(zhuǎn)速決定；膜層設(shè)計的厚度 是根據(jù)純聚合物的折射率參數(shù)選取的，兩種聚合物薄膜取相同的有效厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全有機一維光子晶體制備方法，其特征是步驟4)在基底 3上制備成納米顆粒分散聚合物薄膜，即將分散銀納米顆粒的PVP溶液滴置到清潔的基底 上，通過旋涂的辦法制成分散銀納米顆粒的PVP薄膜2。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全有機一維光子晶體制備方法，其特征是步驟4)在納米顆 粒分散聚合物薄膜2上制備PMMA聚合物薄膜，即在制備好的銀納米顆粒分散PVP薄膜2表 面滴上PMMA聚合物溶液，通過旋涂的辦法制成PMMA薄膜1。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全有機一維光子晶體制備方法，其特征是利用表面等離子 體效應(yīng)最為顯著的Ag納米球以體積比10%分散到形成周期性聚合物多層膜結(jié)構(gòu)中其中一 種聚合物后，多層膜結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)異的帶隙特性，即透過率為0.0%時對應(yīng)的譜帶寬度可達(dá) 80nm，反射率在較大入射角-10——+10度范圍內(nèi)基本保持不變，且可以通過調(diào)節(jié)膜層厚度 來控制帶隙中心波長位置(中心波長可以實現(xiàn)在可見光到近紅外這一范圍調(diào)諧)，以適合 不同的應(yīng)用需求。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、3所述的全有機一維光子晶體及制備方法，其特征是所述的基底材料可為石英材質(zhì)或K9光學(xué)玻璃。
全文摘要
基于表面等離子體效應(yīng)的全有機一維光子晶體及制備方法，屬于光子晶體技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明提供了一種由有機聚合物薄膜和均勻分散納米顆粒的有機聚合物薄膜交替疊加形成的一種全有機一維光子晶體，這種多層膜結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)異的帶隙特性，即透過率為0.0％時對應(yīng)的譜帶寬度可達(dá)80nm，且可以通過調(diào)節(jié)膜層厚度來控制帶隙中心波長位置(中心波長可以實現(xiàn)在可見光到近紅外這一范圍調(diào)諧)，以適合不同的應(yīng)用需求。相對于目前通過真空鍍膜制備的無機光子晶體，制備工藝要大大簡化，材料和制備成本大大降低，并且將材料做成溶膠的方法制成膜能夠制備大面積的器件。
文檔編號G02B1/10GK102031566SQ20101028733
公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月20日
發(fā)明者姚鳳鳳, 姜永遠(yuǎn), 孫秀冬, 裴延波 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)