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一种基于调控纳米颗粒空间分布的 光子晶体制备方法

阅读：51发布：2021-06-06

专利汇可以提供一种基于调控纳米颗粒空间分布的光子晶体制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于调控纳米颗粒空间分布的光子晶体制备方法，利用多光束干涉所形成的周期光场来调控纳米颗粒的空间分布，使得纳米颗粒的密度呈现周期性分布。在纳米颗粒密度越大的区域，折射率就越大。纳米颗粒密度的周期分布将意味着光学折射率在该固态薄膜中也呈现出周期性分布，从而制备出光子晶体。本发明所提出的光子晶体制备方法具有人工操控性能好、与当前光集成工艺兼容性好等特点。，下面是一种基于调控纳米颗粒空间分布的光子晶体制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于调控纳米颗粒空间分布的光子晶体制备方法，其特征在于：在光子晶体制备中，利用多光束干涉所形成的周期光场来调控纳米颗粒的空间分布，使得纳米颗粒的密度呈现周期性分布，从而制备出光子晶体；
具体包括以下步骤：
1）利用胶体化学法制备纳米颗粒，并利用表面配体对纳米颗粒进行表面修饰，使其转化成水溶性纳米颗粒；将齐聚物、单体、和2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮配成具有UV光固化性质的液态介质，并将其与水溶性纳米颗粒混合，得到纳米颗粒溶液；
2）利用旋涂制膜法将上述步骤得到的纳米颗粒溶液在基板上成膜，得到液态薄膜；
3）将扩束的532nm激光束分成三束等光强的、相对空间角相同的光束，使其在上述液态薄膜表面上干涉，来形成二维周期光场；在该二维周期光场作用于液态薄膜1分钟后，液态薄膜内形成纳米颗粒的空间周期分布；然后将280 nm UV固化光同时辐照在液态薄膜上，将该液态薄膜转化为固态薄膜，从而形成一层光子晶体薄膜，该层光子晶体薄膜中的图案为操纵光干涉点阵图案；
4）对基板相对于上述步骤得到的光子晶体薄膜中的操纵光干涉点阵图案进行平移和旋转操作，使操纵光干涉点阵分布在上一层光子晶体薄膜的点阵间隙；
5）重复上述步骤2）和步骤3），来制备另一层光子晶体薄膜；
6）循环操作重复上述步骤4）、步骤2）和步骤3），来制备三维光子晶体。
2.根据权利要求1所述的基于调控纳米颗粒空间分布的光子晶体制备方法，其特征在于：步骤3）中，通过改变三束干涉光束的相对空间角，来改变光子晶体薄膜上的操纵光二维周期点阵图案。
3.根据权利要求1所述的基于调控纳米颗粒空间分布的光子晶体制备方法，其特征在于：步骤1）中，所述纳米颗粒为半导体CdSe纳米颗粒；表面配体为3-巯基丙酸；齐聚物为聚氨酯丙烯酸酯；单体为三丙二醇二丙烯酸酯。
4.根据权利要求3所述的基于调控纳米颗粒空间分布的光子晶体制备方法，其特征在于：步骤1）中，聚氨酯丙烯酸酯、三丙二醇二丙烯酸酯、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮按体积比70:25:5比例。

说明书全文

一种基于调控纳米颗粒空间分布的光子晶体制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光子晶体领域，提出利用周期光场来调控纳米颗粒的空间分布，从而制备出光学折射率空间周期分布的光学材料。

背景技术

[0002] 光场可在其辐照的物质上产生作用力。在原子物理领域，人们利用这种光作用力来冷却原子，形成原子“光陷阱”，光陷阱是通过一特定窄谱带的光散射来降低原子的速度，但纳米颗粒缺乏这种窄带散射特性；另一方面，人们广泛利用“光镊”技术来操纵细胞等微米尺度的颗粒。光镊中的光力来源于电极化效应，其大小与颗粒的体积有关。颗粒尺寸越小，作用在其上的光力就越小。光镊在纳米颗粒上所产生的光力通常不足以克服热涨落所导致的布朗运动。因此利用光镊来对单一纳米颗粒进行操纵是一个不小的挑战。近年来，人们在光镊技术的基础上发展了多种新方法来实现对纳米颗粒的操纵。相比于球状纳米颗粒，几何形状高度各向异性的纳米线或者碳纳米管具有显著的电极化率，因此可使用远场光镊来进行俘获和旋转，另外等离激元共振也使得金属颗粒具有很大的电极化率。另一方面，利用表面等离激元的局域场增强效应，通过微纳结构的金属基底来获得近场光镊，从而实现了对纳米颗粒的俘获。利用光镊来操纵单一纳米颗粒进行有序排列，可形成二维光子晶体结构，也可以将多光束干涉与光镊结合在一起，形成规则排列的“颗粒势阱”，来同时对多个颗粒进行操纵，这样也可获得颗粒的有序排列。需要说明的是，这些工作都是通过先“牢固俘获”单一颗粒，从而实现多个颗粒的有序排列。

[0003] 经过多年的理论和应用研究，光子晶体在多个领域呈现出广阔的应用前景。光子晶体的制备是其开展应用的基础，目前的制备方法包括自组装、平面刻蚀和光学全息等。本发明所提出的光子晶体制备方法具有工艺简单、可重复性好、与当前光集成工艺兼容性好等特点。

[0004] 目前常规的光子晶体(例如利用胶体自组装或者利用刻蚀工艺制备的光子晶体)是由两种材料交替排列而成，因此折射率在两个数值之间周期性跳跃变化。由于胶体微球有一定的尺寸分布，因此微球自组装所形成的胶体光子晶体存在很多的缺陷。另一方面，对块体光学材料进行由外向内的刻蚀也能制备出光子晶体，但该方法很难获得厚尺寸的光子晶体。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种基于调控纳米颗粒空间分布的光子晶体制备方法，利用多光束干涉所形成的周期光场来调控纳米颗粒的空间分布，使得纳米颗粒的密度呈现周期性分布。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

[0007] 一种基于调控纳米颗粒空间分布的光子晶体制备方法，在光子晶体制备中，利用多光束干涉所形成的周期光场来调控纳米颗粒的空间分布，使得纳米颗粒的密度呈现周期性分布，从而制备出光子晶体。

[0008] 该方法具体包括以下步骤：

[0009] 1)利用胶体化学法制备纳米颗粒，并利用表面配体对纳米颗粒进行表面修饰，使其转化成水溶性纳米颗粒；将齐聚物、单体、和2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮配成具有UV光固化性质的液态介质，并将其与水溶性纳米颗粒混合，得到纳米颗粒溶液；

[0010] 2)利用旋涂制膜法将上述步骤得到的纳米颗粒溶液在基板上成膜，得到液态薄膜；

[0011] 3)将扩束的532nm激光束分成三束等光强的、相对空间角相同的光束，使其在上述液态薄膜表面上干涉，来形成二维周期光场；在该调控光场作用于液态薄膜1分钟后，液态薄膜内形成纳米颗粒的空间周期分布；然后将280nm UV固化光同时辐照在液态薄膜上，将该液态薄膜转化为固态薄膜，从而形成一层光子晶体薄膜，该层光子晶体薄膜中的图案为操纵光干涉点阵图案；

[0012] 4)对基板相对于上述步骤得到的光子晶体薄膜中的操纵光干涉点阵图案进行平移和旋转操作，使操纵光干涉点阵分布在上一层光子晶体薄膜的点阵间隙；

[0013] 5)重复上述步骤2)和步骤3)，来制备另一层光子晶体薄膜；

[0014] 6)循环操作重复上述步骤4)、步骤2)和步骤3)，来制备三维光子晶体。

[0015] 步骤3)中，通过改变三束干涉光的相对空间角，来改变操纵光二维周期点阵图案。

[0016] 步骤1)中，所述纳米颗粒为半导体CdSe纳米颗粒；表面配体为3-巯基丙酸；齐聚物为聚氨酯丙烯酸酯；单体为三丙二醇二丙烯酸酯。

[0017] 步骤1)中，聚氨酯丙烯酸酯、三丙二醇二丙烯酸酯、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮按体积比70:25:5比例。

[0018] 有益效果：本发明提供的方法，利用多光束干涉所形成的周期光场来调控纳米颗粒的空间分布，使得纳米颗粒的密度呈现周期性分布。在纳米颗粒密度越大的区域，折射率就越大。纳米颗粒密度的周期分布将意味着光学折射率在该固态薄膜中也呈现出周期性分布，从而制备出光子晶体。

[0019] 本发明的方法将高光学折射率的纳米颗粒分散在具有UV光固化性质的液态介质中，然后将该混合溶液利用spin coating技术在光学玻璃上成膜。利用多光束干涉在该液态薄膜表面上形成周期光场，在这种周期操纵光场辐照下，在内含大量纳米颗粒的液态介质中的颗粒密度统计分布是周期性的，然后在操纵光存在的情况下，通过UV光固化将纳米颗粒的周期性空间分布“固定”下来。颗粒密度越高，那么所在区域的介电常数就越大，其光学折射率也就越高，这样纳米颗粒密度的周期性分布就意味着光学折射率将在该固态薄膜中呈现周期分布。待该层光子晶体薄膜固化后，可在其上沉积出另一层光子晶体薄膜。在两层薄膜制备的间隙，通过对基板相对于操纵光干涉点阵图案进行精细平移操作，以错开相邻薄膜中的颗粒密度分布，就可形成三维光子晶体。

[0020] 本发明所提出的光子晶体制备方法具有人工操控性能好、与当前光集成工艺兼容性好等特点。附图说明

[0021] 图1是本发明基于调控纳米颗粒空间分布的光子晶体制作方法步骤示意图；

[0022] 图中，1-纳米颗粒；2-表面配体；3-齐聚物；4-单体；5-基板；6-2D结构固化前；7-2D结构固化后；8-3D结构。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

[0024] 如图1所示为一种基于调控纳米颗粒空间分布的光子晶体制备方法，步骤为：

[0025] (1)利用胶体化学法制备半导体CdSe纳米颗粒1，并利用3-巯基丙酸作为表面配体2进行表面修饰，使其转化成水溶性纳米颗粒；将作为齐聚物3的聚氨酯丙烯酸酯、作为单体
4的三丙二醇二丙烯酸酯、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮按体积比70:25:5比例配成具有UV光固化性质的液态介质，并将其与水溶性纳米颗粒混合；

[0026] 2)利用旋涂制膜法即spin coating技术将上述纳米颗粒溶液在光学玻璃作为的基板5上成膜；

[0027] 3)将扩束的532nm激光束分成三束等光强的、相对空间角120°的光束，使其在上述液态薄膜表面上干涉，来形成二维周期光场。在该调控光场作用于液态薄膜1分钟后，薄膜内形成纳米颗粒的空间周期分布，即图1中的2D结构固化前6。然后将280nm UV固化光同时辐照在薄膜上，将该薄膜转化为固态薄膜，从而形成一层光子晶体薄膜，即图1中2D结构固化后7，该层光子晶体薄膜中的图案为操纵光干涉点阵图案；

[0028] 4)对基板相对于上述步骤得到的光子晶体薄膜中的操纵光干涉点阵图案进行平移和旋转操作，使操纵光干涉点阵分布在上一层光子晶体薄膜的点阵间隙；

[0029] 5)重复上述步骤2)和)3，来制备另一层光子晶体薄膜，得到3D结构8；

[0030] 6)循环操作重复上述4)、2)和3)，来制备三维光子晶体。

[0031] 本发明提出将纳米颗粒材料分散在具有UV光固化性质的液态介质中，并且颗粒的光学折射率大于其周围介质，并且通过多光束干涉，在一薄层该液态介质上形成一个周期性“颗粒势阱”阵列。虽然由于纳米颗粒尺寸不大，热涨落将导致“势阱”内的颗粒发生逃逸，但是对于热涨落和“势阱”这两个因素共同作用所形成的平衡态，按照统计物理学的原理，颗粒总是倾向于处于它的低能态，那么“势阱”处的几率值将大于“势阱”外的，因此在内含大量纳米颗粒的液态介质中，颗粒密度必将呈现出周期性分布，然后在操纵光存在的情况下，通过UV光固化就可以将纳米颗粒的周期性密度空间分布“固定”下来。在纳米颗粒密度越大的区域，折射率就越大。纳米颗粒密度的周期分布将意味着光学折射率在该固态薄膜中也呈现出周期性分布，也就是说所获得的固态薄膜是一个两维光子晶体薄膜。待该层光子晶体薄膜固化后，可在其上沉积出另一层光子晶体薄膜。在两层薄膜制备的间隙，通过对基板相对于操纵光干涉点阵图案进行精细平移操作，以错开相邻薄膜中的颗粒密度分布，就可形成三维光子晶体。

[0032] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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