基於光纖的圓柱環狀膠體晶體的製備方法及其晶體的製作方法
2023-07-30 13:56:51
專利名稱：基於光纖的圓柱環狀膠體晶體的製備方法及其晶體的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種製備圓柱環狀膠體晶體的方法，特別是涉及一種採用垂直沉積和 控溫控壓方法相結合，在光纖外表面生長膠體晶體的工藝技術及其製備的圓柱環狀膠體晶 體。
背景技術：
光子晶體自從被提出以來，便得到了廣泛的研究和關注。製造光學波段的光子晶 體，化學方法就顯示出更大的優越性，其中利用膠體顆粒自組裝是一種非常簡便的方法，膠 體晶體是指亞微米級的單分散膠體微球在合適的條件下自組裝成三維有序周期結構。其制 備過程所需費用較低且容易操作，因此膠體微球的自組裝被認為是近紅外、光學以及更短 波段三維光子晶體的最有效、最有前途的製備方法。膠體光子晶體不具有完全帶隙，但它不 僅可以用於製作濾光器和光開關、高密度磁性數據存儲器件、化學和生物傳感器，而且為利 用模板技術製備具有完全帶隙的有序多孔結構提供理想模板。膠體晶體的製備方法包括重力沉降法、物理強制有序法、垂直澱積法、膠體外延 法、離心沉降法等。垂直沉積法因其製備的樣品質量高，實驗參數可控，組裝的微球材料及 粒徑選擇範圍廣，成本低廉且生長周期短而被廣泛應用。在形成膠體晶體後，通過燒結控制 顆粒間的孔隙率，同時增加樣品的機械強度，還可以進一步在其空隙中填充高折射率的材 料，腐蝕掉原來膠體微球形成具有完全光子帶隙的多孔結構。
發明內容
本發明的目的在於提供一種基於光纖製備膠體晶體的方法，此方法能夠使晶體生 長達到更好的平衡，從而製備出高質量的晶體。本發明的另外一個目的是利用該方法製作 一種方便、廉價、使用價值高，能和現代光纖通信相結合的三維圓環狀膠體晶體。本發明為解決其技術問題所採用的技術方案是基於光纖的圓柱環狀膠體晶體的 製備方法，其製備工藝步驟如下
(a)光纖預處理將單模光纖剝除塗覆層，利用丙酮酒精去油去汙，放在稀硝酸溶液中 浸泡一天一夜；
(b)取出光纖用清水衝洗數次，再用丙酮、去離子水，在超聲波清洗器內反覆清洗，完 畢後在氮氣環境下烘乾；
(c)配製HF酸緩衝溶液，利用NH4F可以減緩HF酸的腐蝕速率，使光纖的包層腐蝕得 均勻平滑，其溶液的配比為HF :NH4F:H20=3:7:10 ；
(d)將乾燥後的單模裸光纖垂直插入HF酸緩衝溶液中，光纖的包層被HF酸腐蝕，腐蝕 時間為5 10分鐘，腐蝕結束後重複一遍步驟(b)中的過程；
(e)配置膠體微球溶液，膠體微球的直徑範圍為200nm-700nm，直徑偏差偏差/平均直 徑X% <0. 2%，質量百分比2% 8% ；溶劑為水/乙醇，體積比為3:7 ；
(f)將步驟(d)中處理過的單模光纖豎直插入盛有膠體微球溶液的玻璃瓶中，整個裝置固定好後置於真空乾燥箱中，控制溫度為30-70°C，壓強為0.01-lMpa，採用垂直沉積法在 光纖外表面生長膠體晶體，靜置48小時；
(g)將步驟(f)中製備好的膠體晶體放入燒結爐加熱到相應的溫度進行燒結固化，形成 基於光纖基底的圓柱環狀膠體晶體。其中，步驟(e)中膠體微球可以採用聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或二氧化矽的微 球。利用上述工藝步驟製備的膠體晶體，包覆在光纖的外表面上，形成三維的圓柱環 狀膠體晶體。本發明基於光纖的圓柱環狀膠體晶體的製備方法克服了以前製備膠體晶體方法 中的缺點①利用真空乾燥箱控制溫度和壓強兩個參數，可以合理調節溶劑的蒸發速度，從 而更好的達到晶體生長平衡，製備出高質量的晶體；②通過降低壓強降低溶劑的沸點，從而 可以組裝高溫變質的材料甚至生物活性微球，克服了膠體晶體材料的單一性，同時提高了 生長速率；③通過合理設定參數，改進垂直沉積法在非平面基底(尤其是光纖)組裝高質量 的三維有序晶體，拓展了垂直沉積法生長機理，也增強了膠體晶體的實際應用範圍。本發明 製備的圓柱環狀膠體晶體，具有較深光子帶隙和較大的帶隙邊緣坡度，且塗覆在光纖表面 可以直接進行寬帶濾波，進一步可以應用到光纖通信和傳感領域，為以後作為新的光子器 件奠定了基礎。
圖1是圓柱環狀膠體晶體製備實驗裝置示意圖(1:裸光纖，2:膠體溶液，3:水， 4:恆溫水浴加熱，5:玻璃瓶，6:光纖夾持器，7:膠帶，8:支撐架)。圖2是製備環狀晶體結晶過程的示意圖(9:單模光纖，10:膠體微球，11:溶液半 月面，12:微球重力，13:微球聚合力，14:流體剪切力)。圖3是圓柱環狀膠體晶體結構的端面示意圖(15:包層，16:纖芯)。圖4是圓柱環狀膠體晶體結構的剖面示意圖。圖5是實施例2製備的圓柱環狀膠體晶體的透射光譜圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。先對光纖預處理將單模光纖剝除塗覆層，利用丙酮酒精去油去汙，放在稀硝酸溶 液中浸泡一天一夜；取出光纖用清水衝洗數次，再用丙酮、去離子水，在超聲波清洗器內反 復清洗，完畢後在氮氣環境下烘乾；配製HF酸緩衝溶液，利用NH4F可以減緩HF酸的腐蝕速 率，使光纖的包層腐蝕得均勻平滑，其溶液的配比為HF :NH4F:H20=3:7:10 ；將乾燥後的單模 裸光纖垂直插入HF酸緩衝溶液中，光纖的包層被HF酸腐蝕，腐蝕時間為5 10分鐘，表面 腐蝕粗化後不但增強親水性，更利於膠體微球的塗覆和生長，腐蝕結束後重複一遍第二步 的清洗步驟；然後進行如下步驟的操作。實施例1
本實施例選用聚苯乙烯(PS)微球配置膠體微球溶液，所用微球的粒徑為250nm(直 徑偏差/平均直徑X % <0. 2%，理論帶隙在590nm)，質量百分比2%，溶劑水/乙醇(體積比3:7)，共3ml置於小試管中；然後將處理好的單模光纖豎直插入盛有膠體微球溶液的玻璃 瓶中，整個裝置固定好置於真空乾燥箱中，控制溫度在30°C，壓強為0. 06Mpa，採用垂直沉 積法在光纖外表面生長膠體晶體，恆溫恆壓下靜置48h左右；最後將製備好的圓柱環狀膠 體晶體(PS)放入燒結爐，先在70°C下預燒結一個小時，再在90°C下燒結固化三個小時，形 成基於光纖基底的圓柱環狀膠體晶體。實施例2:
本實施例選用聚苯乙烯(PS)微球配置膠體微球溶液，所用微球的粒徑為390nm(直 徑偏差/平均直徑X% <0. 2%，理論帶隙在905nm)，質量百分比2%，溶劑水/乙醇(體積比 3:7)，共3ml置於小試管中；然後將處理好的單模光纖豎直插入盛有膠體微球溶液的玻璃 瓶中，整個裝置固定好置於真空乾燥箱中，控制溫度在50°C，壓強為0. 03Mpa，採用垂直沉 積法在光纖外表面生長膠體晶體，恆溫恆壓下靜置48h左右；最後將製備好的圓柱環狀膠 體晶體(PS)放入燒結爐，先在70°C下預燒結一個小時，再在90°C下燒結固化三個小時，形 成基於光纖基底的圓柱環狀膠體晶體。實施例3:
本實施例選用二氧化矽(Silica)微球配置膠體微球溶液，所用微球的粒徑為 690nm (直徑偏差/平均直徑X % <0. 2%，理論帶隙在1520nm)，質量百分比3%，溶劑水/乙 醇(體積比3:7)，共3ml置於小試管中；然後將處理好的單模光纖豎直插入盛有膠體微球溶 液的玻璃瓶中，整個裝置固定好置於真空乾燥箱中，控制溫度在65°C，壓強為0. 02Mpa，採 用垂直沉積法在光纖外表面生長膠體晶體，恆溫恆壓下靜置48h左右；最後將製備好的圓 柱環狀膠體晶體(Silica)放入燒結爐，在500°C下進行燒結固化三個小時，再緩慢升溫到 900°C燒結4個小時然後退火處理，形成基於光纖基底的圓柱環狀膠體晶體。如圖3和4所示，利用上述工藝步驟，製備的膠體晶體包覆在光纖的外表面，形成 三維的圓柱環狀膠體晶體。本發明膠體晶體的粒徑可根據帶隙中心波長的要求選擇。圖5為實施例2製備的圓柱環狀膠體晶體的透射光譜圖，圖中曲線為繞纖芯軸旋 轉不同角度的透射譜，每轉30°記錄一次，從圖中可以看出，曲線基本重合，因此該膠體晶 體具有良好的圓柱對稱性。本發明製備的圓柱環狀膠體晶體具有圓柱對稱性，有光子帶隙效應，且三維膠體 晶體可以利用其中心帶隙波長進行選頻，其頻帶窄，精度高，而且隨所處介質變化，可以形 成氣體探測和波分復用器件。通過在光纖包層塗覆不同粒徑的膠體微球，或者在膠體晶體 的空隙部分填充不同折射率的材料二次加工形成多孔反結構，可以改變光子帶隙的中心波 長，達到任意頻段濾波的目的，同時進一步發展可以形成廉價的生物傳感器和環境監測器、 濾波器等。因此，藉助本發明可以實現三維膠體晶體和光纖的結合，出射光為FP腔調製下 的光子帶隙的特徵譜線，可以作為光開關，波導以及濾波器和交叉器等的應用。
權利要求
基於光纖的圓柱環狀膠體晶體的製備方法，其特徵在於製備工藝步驟如下(a)光纖預處理將單模光纖剝除塗覆層，利用丙酮酒精去油去汙，放在稀硝酸溶液中浸泡一天一夜；(b)取出光纖用清水衝洗數次，再用丙酮、去離子水,在超聲波清洗器內反覆清洗，完畢後在氮氣環境下烘乾；(c)配製HF酸緩衝溶液，利用NH4F可以減緩HF酸的腐蝕速率,使光纖的包層腐蝕得均勻平滑，其溶液的配比為HFNH4F:H2O=3:7:10；(d)將乾燥後的單模裸光纖垂直插入HF酸緩衝溶液中，光纖的包層被HF酸腐蝕，腐蝕時間為5～10分鐘，腐蝕結束後重複一遍步驟(b)中的過程；(e)配置膠體微球溶液，膠體微球的直徑範圍為200nm 700nm，直徑偏差/平均直徑×% <0.2%，質量百分比2%～8%；溶劑為水/乙醇，體積比為3:7；(f)將步驟(d)中處理過的單模光纖豎直插入盛有膠體微球溶液的玻璃瓶中，整個裝置固定好後置於真空乾燥箱中，控制溫度為30 70℃，壓強為0.01 1Mpa，採用垂直沉積法在光纖外表面生長膠體晶體，靜置48小時；(g)將步驟(f)中製備好的膠體晶體放入燒結爐加熱到相應的溫度進行燒結固化，形成基於光纖基底的圓柱環狀膠體晶體。
2.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於所述步驟(e)中的膠體微球採用聚苯 乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或二氧化矽的微球。
3.一種利用權利要求1所述工藝步驟製備的膠體晶體，其特徵在於所述的膠體晶體 包覆在光纖的外表面，形成三維的圓柱環狀膠體晶體。
全文摘要
本發明公開了一種基於光纖的圓柱環狀膠體晶體的製備方法及其晶體。主要工藝步驟為剝除光纖塗覆層,去油去汙後清洗乾燥，插入HF酸緩衝溶液中，包層被HF酸腐蝕粗化，增強親水性利於微球塗覆；配置不同材料(如PS,PMMA和Silica)不同濃度的膠體微球溶液；將腐蝕粗化後的光纖豎直插入盛有膠體溶液的玻璃瓶中,在一定的溫度和壓強的條件下，採用垂直沉積法在光纖包層外表面塗覆膠體晶體；用燒結爐燒結固化圓柱環狀膠體晶體。本發明形成的圓柱環狀膠體晶體可以作為三維光子晶體濾波器，並可以形成空氣芯和多孔結構，進一步發展成為光纖和生物、環境傳感器，而且由於是在普通的單模光纖上製備，因此製作簡便、成本低。
文檔編號B01J13/00GK101942700SQ20101051210
公開日2011年1月12日 申請日期2010年10月20日 優先權日2010年10月20日
發明者倪海斌, 夏巍, 崔恩營, 王鳴, 郭文華 申請人:南京師範大學