一種結構可控型光子晶體薄膜的製備方法與流程
2023-05-18 14:39:46
本發明公開了一種晶體薄膜的製備方法，屬於光子材料製備技術領域。
背景技術：
在固體晶格中，電子在傳輸的時候，因為受到晶格周期性位勢散色，有些波會因為幹涉作用而有能隙的形成，這就是電子的能帶結構，更具體的講就是電子的色散關係呈帶狀分布。電子由於受到周期性勢場的布拉格散色作用，彼此之間會形成能帶結構，能帶之間可能會有帶隙出現。如果電子波的能量落在帶隙中時，是不能傳播的，類似的現象在光子晶體中也會出現。光波通過光子晶體材料時，電介質構成的周期勢場會調製光波的傳播，會形成與半導體類似的能帶結構，在光子晶體中，稱為光子能帶。當這些光子能帶之間沒有重疊時，就會出現光子禁帶。一束光波中與光子禁帶相同頻率的光無法在光子晶體材料中傳播，這是光子晶體的特色，所以光子晶體材料也叫光子禁帶材料。
光子晶體是由不同介電常數的介質周期性排列而成的規則微結構材料，其可調節一定波長範圍內的光的傳播，在防護塗層、光學器件、傳感檢測、彩色列印和醫療診斷等領域都有著廣泛的應用。但是其形貌有序度不高，宏觀上結構色不均勻。結構不可控，且製備條件苛刻，無法大範圍製備，且現有的光子晶體產生的結構色的方式足光子晶體直接反射本身光子禁帶禁帶光而其他雜光不能被反射來實現結構色。然而，大部分的光子晶體組裝後，對光子禁帶外的雜光容易產生幹涉等現象，直接導致禁帶光的顏色不夠單一，鮮豔度不高，所以製備一種結構可控型光子晶體薄膜很有必要。
技術實現要素：
本發明主要解決的技術問題：針對現有的光子晶體薄膜材料形貌有序度不高，宏觀上結構色不均勻，結構不可控的問題，提供了一種結構可控型光子晶體薄膜的製備方法。
為了解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是：
（1）按質量比1:1，將鎢酸鈉與硝酸鋅混合併添加至去離子水中，用質量分數10％氨水調節ph至8.5～9.0，水浴加熱25～30min，製備得混合液；
（2）按體積比1:50，將0.1mol/l十六烷基三甲基溴化銨溶液滴加至混合液中，攪拌混合再在180～200℃下油浴加熱1h，靜置冷卻、過濾得濾餅、洗滌、乾燥、研磨得鎢酸鋅顆粒，再按質量比1:15，將鎢酸鋅顆粒與去離子水混合，用質量分數5％氨水調節ph至8.5，製備得改性液；
（3）將改性液、無水乙醇和正矽酸乙酯混合併加熱1～2h，旋轉濃縮得塗膜凝膠液，將塗膜凝膠液塗覆至玻璃板表面，乾燥即可製備得結構可控型光子晶體薄膜。
所述的改性液、無水乙醇和正矽酸乙酯的混合比例為質量比5:1:2。
所述的塗膜凝膠液塗覆厚度為10～20μm。
所述的十六烷基三甲基溴化銨溶液滴加時間為10～15min。
本發明的有益效果是：本發明通過鎢酸鈉與硝酸鋅複合製備鎢酸鋅顆粒，通過鎢酸鋅顆粒與正矽酸乙酯複合並水解分散在水解液中，由鎢酸鋅顆粒提供鋅離子，將水解液濃縮製備水解濃縮液後，經振蕩分散，塗覆乾燥形成光子晶體薄膜，其中鎢酸鋅提供的鋅離子有效豐富光子複合薄膜的結構，填充光子晶體薄膜的空間群，降低複合晶體膜內部離子空位，改善光子晶體薄膜形貌有序度，增強光子晶體薄膜結構色的穩定性能，本發明製備的結構可控型光子晶體薄膜透光率為35～40%，方阻為1.25～1.28ω/□，薄膜製備過程中收縮率小於2.3%。
具體實施方式
備料：鎢酸鈉、硝酸鋅、去離子水、質量分數10%氨水、0.1mol/l十六烷基三甲基溴化銨溶液、質量分數5%氨水、無水乙醇和正矽酸乙酯。
先按質量比1:1，將鎢酸鈉與硝酸鋅攪拌混合併研磨過100目篩，得混合粉末並按質量比1:50，將混合粉末與去離子水攪拌混合併置於燒杯中，用質量分數10%氨水調節ph至8.5～9.0，在45～50℃下水浴加熱10～15min；待水浴加熱完成後，對燒杯中滴加去離子水質量5%的0.1mol/l十六烷基三甲基溴化銨溶液，控制滴加時間為10～15min，待滴加完成後，將燒杯置於180～200℃下油浴加熱45～60min，隨後靜置冷卻至室溫，過濾並得濾餅，在75～85℃下乾燥6～8h，碾磨製備得鎢酸鋅顆粒；將鎢酸鋅顆粒置於球磨罐中，在250～300r/min下球磨3～5h，隨後過200目篩，得鎢酸鋅粉末，再按質量比1:15，將鎢酸鋅粉末與去離子水攪拌混合，並用質量分數5%氨水調節ph至8.0～8.5，製備得混合改性液；按重量份數計，分別稱量45～50份無水乙醇、10～15份正矽酸乙酯和25～30份混合改性液置於燒杯中，製備得鎢酸鋅和正矽酸乙酯混合水解液，通過鎢酸鋅顆粒提供鋅離子，將混合水解液攪拌混合併置於45～50℃下水浴加熱1～2h並置於75～80℃下旋轉蒸發至原體積的1/5，製備得光子晶體薄膜的塗膜凝膠液；按質量比1:10，將塗膜凝膠液與無水乙醇攪拌混合併置於200～300w下超聲振蕩10～15min，得分散液並均勻塗覆至潔淨的玻璃板表面，控制塗覆厚度為10～20μm，待塗覆完成後，自然乾燥5～7天，由於鋅離子摻入，豐富光子複合薄膜的結構，填充光子晶體薄膜的空間群，降低複合晶體膜內部離子空位，改善光子晶體薄膜形貌有序度，增強光子晶體薄膜結構色的穩定性能，最終即可製備得一種結構可控型光子晶體薄膜。
實例1
先按質量比1:1，將鎢酸鈉與硝酸鋅攪拌混合併研磨過100目篩，得混合粉末並按質量比1:50，將混合粉末與去離子水攪拌混合併置於燒杯中，用質量分數10%氨水調節ph至8.5，在45℃下水浴加熱10min；待水浴加熱完成後，對燒杯中滴加去離子水質量5%的0.1mol/l十六烷基三甲基溴化銨溶液，控制滴加時間為10min，待滴加完成後，將燒杯置於180℃下油浴加熱45min，隨後靜置冷卻至室溫，過濾並得濾餅，在75℃下乾燥6h，碾磨製備得鎢酸鋅顆粒；將鎢酸鋅顆粒置於球磨罐中，在250r/min下球磨3h，隨後過200目篩，得鎢酸鋅粉末，再按質量比1:15，將鎢酸鋅粉末與去離子水攪拌混合，並用質量分數5%氨水調節ph至8.0，製備得混合改性液；按重量份數計，分別稱量45份無水乙醇、10份正矽酸乙酯和25份混合改性液置於燒杯中，製備得混合水解液，將混合水解液攪拌混合併置於45℃下水浴加熱1h並置於75℃下旋轉蒸發至原體積的1/5，製備得塗膜凝膠液；按質量比1:10，將塗膜凝膠液與無水乙醇攪拌混合併置於200w下超聲振蕩10min，得分散液並均勻塗覆至潔淨的玻璃板表面，控制塗覆厚度為10μm，待塗覆完成後，自然乾燥5天，即可製備得一種結構可控型光子晶體薄膜。
實例2
先按質量比1:1，將鎢酸鈉與硝酸鋅攪拌混合併研磨過100目篩，得混合粉末並按質量比1:50，將混合粉末與去離子水攪拌混合併置於燒杯中，用質量分數10%氨水調節ph至8.8，在48℃下水浴加熱13min；待水浴加熱完成後，對燒杯中滴加去離子水質量5%的0.1mol/l十六烷基三甲基溴化銨溶液，控制滴加時間為13min，待滴加完成後，將燒杯置於190℃下油浴加熱52min，隨後靜置冷卻至室溫，過濾並得濾餅，在80℃下乾燥7h，碾磨製備得鎢酸鋅顆粒；將鎢酸鋅顆粒置於球磨罐中，在280r/min下球磨4h，隨後過200目篩，得鎢酸鋅粉末，再按質量比1:15，將鎢酸鋅粉末與去離子水攪拌混合，並用質量分數5%氨水調節ph至8.3，製備得混合改性液；按重量份數計，分別稱量48份無水乙醇、13份正矽酸乙酯和28份混合改性液置於燒杯中，製備得混合水解液，將混合水解液攪拌混合併置於48℃下水浴加熱2h並置於78℃下旋轉蒸發至原體積的1/5，製備得塗膜凝膠液；按質量比1:10，將塗膜凝膠液與無水乙醇攪拌混合併置於250w下超聲振蕩13min，得分散液並均勻塗覆至潔淨的玻璃板表面，控制塗覆厚度為15μm，待塗覆完成後，自然乾燥6天，即可製備得一種結構可控型光子晶體薄膜。
實例3
先按質量比1:1，將鎢酸鈉與硝酸鋅攪拌混合併研磨過100目篩，得混合粉末並按質量比1:50，將混合粉末與去離子水攪拌混合併置於燒杯中，用質量分數10%氨水調節ph至9.0，在50℃下水浴加熱15min；待水浴加熱完成後，對燒杯中滴加去離子水質量5%的0.1mol/l十六烷基三甲基溴化銨溶液，控制滴加時間為15min，待滴加完成後，將燒杯置於200℃下油浴加熱60min，隨後靜置冷卻至室溫，過濾並得濾餅，在85℃下乾燥8h，碾磨製備得鎢酸鋅顆粒；將鎢酸鋅顆粒置於球磨罐中，在300r/min下球磨5h，隨後過200目篩，得鎢酸鋅粉末，再按質量比1:15，將鎢酸鋅粉末與去離子水攪拌混合，並用質量分數5%氨水調節ph至8.5，製備得混合改性液；按重量份數計，分別稱量50份無水乙醇、15份正矽酸乙酯和30份混合改性液置於燒杯中，製備得混合水解液，將混合水解液攪拌混合併置於50℃下水浴加熱2h並置於80℃下旋轉蒸發至原體積的1/5，製備得塗膜凝膠液；按質量比1:10，將塗膜凝膠液與無水乙醇攪拌混合併置於300w下超聲振蕩15min，得分散液並均勻塗覆至潔淨的玻璃板表面，控制塗覆厚度為20μm，待塗覆完成後，自然乾燥7天，即可製備得一種結構可控型光子晶體薄膜。