專利名稱：一種α-Fe₂O₃/Si孔狀光子晶體及其制備方法和應用的制作方法
技術領域：
本發明屬于光電子材料、半導體材料與器件技術領域，具體涉及一種α -Fe203/Si 孔狀光子晶體及其制備方法和應用。
背景技術：
二維周期性納米結構由于具有大面積的周期性的材料排列和較一般材料更大的 表面積，因此近年來在催化、傳感、光子晶體、電池技術、拉曼光譜增強(SERS)等方面引起了 很大的關注。近年來，人們利用各種方法，例如光刻、微接觸、自組裝等，制備得到了多種二 維周期性結構。然而在這些方法中，光刻面臨著光學系統的衍射誤差問題，導致成品質量不 高，并且其制備過程效率低，成本高，并且只能對特定的材料進行光刻，限制了其廣泛應用； 而微接觸法由于需要先制備模板，然后再通過物理方法復制得到最終所需要的材料，有時 候需要三個甚至更多的步驟，所以在此過程中難免會有偏差。而自組裝法的成本低，最終產 物的選擇也比較廣泛，已經可以覆蓋多種金屬及半導體，因此越來越受到研究者的青睞。另 外，在這些制備的材料中，大多數研究都關注其在傳感、催化等上述各種方面的應用，很少 有關注光學性質，尤其是光學衍射性質的應用。事實上，根據先前的研究，光在光子晶體中 的傳播與在普通介質中的傳播是有很大不同的，例如光子晶體存在光學禁帶，能夠阻止部 分頻率的光子通過；光子晶體還可以通過缺陷來改變光的傳播方向。因此，光子晶體的光學 衍射性能也與普通介質有所不同，之前也有對此的報道，但均未深入進行研究。本發明克服了現有技術中的成本偏高、制備過程復雜且不易控制、產物的種類有 限等缺陷，提供了一種a-Fe3203/Si孔狀光子晶體及其制備方法，具有成本低、制備過程簡 單可控、產物的種類范圍廣的有益效果。本發明的a-Fe3203/Si孔狀光子晶體，由α _狗203 材料六角形周期性排列在Si襯底上而成的a -Fe203/Si復合結構，其制備中采用了自組裝 和溶液滴定的方法，在大氣壓強和沒有催化劑的條件下，在硅片襯底上得到大面積這種結 構。本發明a-Fe203/Si孔狀光子晶體可在實際光學衍射中應用，其具有與普通光柵不同的 衍射性能。。本發明通過選擇恰當的材料，對介電常數進行調整，從而構造二維光子晶體，對 其光學性能進行研究，以進一步推動其在光學方面的應用。

發明內容
本發明提供了一種a -Fe203/Si孔狀光子晶體，其特征在于，包括a -Fe2O3材料和 Si襯底；其中，所述a -Fe2O3材料呈六角形格點周期性排列在所述Si襯底上，所述a -Fe2O3 材料的孔徑為200 nm - 800 nm，其厚度為100-200nm，所述a-Fe2O3材料覆蓋所述Si襯 底總面積的25-35%。本發明還提供了一種所述a -Fe203/Si孔狀光子晶體的制備方法，其特征在于，依 次包括以下步驟
a)將所述Si襯底超聲清洗，然后在500-55(TC下加熱；
b)取PS單分散微球滴于所述Si襯底上，將其靜置于空氣中，直到所述PS單分散微球自組裝成為六角形周期性的模板；
c)將10-20μ L Fe (NO3)3溶液滴于步驟b)中組裝好的模板上；
d)經110°C下烘干后，再在高溫下加熱，去除PS單分散微球，得到所述a-Fe3203/Si孔 狀光子晶體。本發明所述α -Fe203/Si孔狀光子晶體的制備方法，其特征在于，所述步驟d)中的 高溫加熱是在450-550°C下進行。本發明所述α -Fe203/Si孔狀光子晶體的制備方法，其進一步特征在于，將步驟d) 所得到的α "Fe203/Si孔狀光子晶體在超聲中清洗。本發明提供了一種所述α "Fe203/Si孔狀光子晶體在光學衍射中的應用，其特征 在于，將一束聚焦的光波沿垂直于所述a-Fe203/Si孔狀光子晶體平面的方向入射至其表 面，衍射的圖樣為六角形；光波的衍射點之間的距離與光屏到所述a "Fe203/Si孔狀光子晶 體之間的距離之比值與所述光波波長成正比，與所述a -Fe203/Si孔狀光子晶體的周期性 大小成反比。本發明提供了一種a-Fe203/Si孔狀光子晶體及其制備方法。本發明所提供的周 期性的a-Fe203/Si孔狀光子晶體結構，在國際上是首次報道，這種光子晶體是由Ci-Fe2O3 和Si兩種材料交替組成，其中a -Fe2O3材料呈六角形格點周期性排列，孔徑大小一般在 約200 nm - 800 nm范圍，厚度約為100-200 nm，覆蓋Si襯底的面積大約占總面積的 25%-35%。本發明a -Fe203/Si孔狀光子晶體的制備方法包括以下步驟
1.將硅襯底超聲清洗30分鐘，然后在500-550°C下加熱2小時，以達到提高表面親水 性的效果。2.將事先準備好的一定濃度的PS (聚苯乙烯)單分散微球(直徑可按需要控制) 取少量滴于襯底上，將襯底靜止置于空氣中一段時間，避免一切擾動，PS微球將會隨著水分 的蒸發而自動地自組裝成為六角形周期性的模板。3.將10-20 μ L左右的狗(NO3) 3溶液用移液槍滴于已經組裝好的模板上，由于毛 細力的作用，溶液將會滲入PS微球之間的空隙中。由于PS微球的密度小于狗(NO3) 3溶液， PS模板將會漂浮于溶液之上。4.在110°C下烘干2小時，使Fe (NO3)3溶液中的水分揮發。5.在450_550°C下加熱3小時，使佝(吣3)3前驅液轉變為固態的a-!^e2O3，同時PS 微球在此高溫下被燒去，形成需要的周期性孔狀納米結構。最終在超聲中清洗30 min，得到 本發明a -Fe203/Si孔狀光子晶體，a -Fe2O3在Si片上呈現為一層紅褐色物質。本發明通過對自組裝法和溶液滴定法中一些參量的控制，合成了周期性的 a -Fe203/Si孔狀光子晶體。相對于以前報道的合成的類似的光子晶體結構，本發明的突出特點是(1)生長 方法成本低，制備快速、安全，對設備要求低；(2)采用a-Fe2O3與Si兩種材料交替的光子 晶體，構成弱調制；(3)生長過程不需要額外的氣氛和壓力等，無毒無害，重復性好，生長面 積較大。本發明a -Fe203/Si孔狀光子晶體的具體應用過程如下
將一束聚焦的光波沿垂直于本發明a "Fe203/Si孔狀光子晶體平面的方向入射至其表面，衍射的圖樣為六角形。光波的衍射點之間的距離與光屏到a_Fe203/Si孔狀光子晶體之 間的距離成正比。光波的衍射點之間的距離與光屏到所述α "Fe203/Si孔狀光子晶體之間 的距離之比值與光波波長成一致的變化趨勢，與a-Fe203/Si孔狀光子晶體的周期性大小 成相反的變化趨勢。


圖1是本發明α -Fe203/Si孔狀光子晶體的結構示意圖。圖2是本發明α-FeA/Si孔狀光子晶體的制備過程示意圖；其中，(a)表示自 組裝；(b)表示滴定后；(c)表示烘干后；(d)表示經過高溫烘烤及清洗后得到本發明 α -Fe203/Si孔狀光子晶體。圖3是本發明α -Fe203/Si孔狀光子晶體的X射線衍射圖。圖4是本發明α -Fe203/Si孔狀光子晶體在直徑為800 nm時的SEM照片，插圖是 α -FeA/Si孔狀光子晶體放大倍數的AFM照片。
具體實施例方式結合以下具體實施例和附圖，對本發明作進一步的詳細說明，本發明的保護內容 不局限于以下實施例。在不背離發明構思的精神和范圍下，本領域技術人員能夠想到的變 化和優點都被包括在本發明中，并且以所附的權利要求書為保護范圍。如圖1所示，本發明α -Fe203/Si孔狀光子晶體的結構自上往下依次是α -Fe2O3材 料和Si襯底；其中，α -Fe2O3材料呈六角形格點周期性排列在Si襯底上，α -Fe2O3材料的 孔徑為470 nm，其厚度約為200nm，α -Fe2O3材料覆蓋Si襯底總面積的30%。本發明中，α-Fe2O3材料的孔徑可以為200 nm - 800 nm，其厚度可以約為 100-200nm, α -Fe2O3材料可以覆蓋Si襯底總面積的25_35%。如圖2所示，1表示PS單分散微球，2表示Si襯底，3表示！^ (NO3) 3溶液，4表示 Fe2O3 ο實施例1 α -Fe203/Si孔狀光子晶體的制備
1.將硅襯底超聲清洗30分鐘，然后在500-550°C下加熱2小時，以達到提高表面親水 性的效果；圖2(a)中的2表示Si襯底。2.將事先準備好的10 μ L、10%質量分數、直徑為470 nm的PS單分散微球滴于襯 底上，將襯底靜止置于空氣中一天時間，避免一切擾動。可觀察到PS微球將會隨著水分的 蒸發而自動地自組裝成為六角形周期性的模板，水分蒸發過程結束時即為PS微球的自組 裝基本完成。PS微球的排列方式的橫截面如圖2中的(a)所示，其中1表示PS單分散微 球。3.將10-20 μ L左右的Fe (NO3) 3溶液用移液槍滴于已經組裝好的模板上，由于毛 細力的作用，溶液將會滲入PS微球之間的空隙中，如圖2中的(b)所示；由于PS微球的密 度小于!^e (NO3) 3溶液，PS模板將會漂浮于！^ (NO3) 3溶液之上，圖中的3表示!^e (NO3) 3溶液。4.在110°C下烘干2小時，使狗(而3)3溶液中的水分揮發，如圖2中的(c)所示。5.在450-550°C下加熱3小時，使佝(而3)3前驅液轉變為固態的a-Fi5203，同時 PS微球在此高溫下被燒去，形成需要的周期性孔狀納米結構。在超聲中清洗30 min，最終得到本發明α-FeA/Si孔狀光子晶體，如圖2中的(d)所示4表示α-狗203，其在Si片上 呈現為一層紅褐色物質。實施例2 α -Fe203/Si孔狀光子晶體的衍射應用
本發明α "Fe203/Si孔狀光子晶體的制備方法，以聚苯乙烯(PS)小球為模板，以Si為 襯底，Fe (NO3)3溶液為前驅液，采用溶液滴定法生長α-Fe2O3孔狀周期性納米結構。利用這 種方法生長的Q-Fe52O3孔狀周期性納米結構由六角形排列的圓形納米孔組成，其XRD圖如 圖3所示，低倍SEM和高倍AFM圖如圖4所示。從圖3中可見，衍射峰的位置與α -Fe2O3的 XRD標準卡上的峰相對應，證實產物確實為α -Fe2O3 ；從圖4中可見，納米孔直徑在200-800 nm之間，孔壁高度為200 nm，孔壁部分(圖4中顏色較淺部分)覆蓋Si襯底(圖4中顏色較 深部分)的面積大約占總面積的25-35%。由SEM圖可以看出，它們排列緊密，整齊無缺陷， 具有很好的周期性，從AFM圖可以看出，圓孔的邊緣呈規則的正圓形。本發明可以實現在硅 襯底上大面積周期性地生長，生成的材料在常溫下穩定性好，耐高溫，抗氧化。該Ci-Fe52O3 材料與Si襯底恰好構成一種光子晶體，經過理論計算可得，它具有特殊的光學衍射性能， 對周期性材料的研究具有巨大的價值，并且在新一代顯示器件方面有著廣闊的應用前景。將本發明α -Fe203/Si孔狀光子晶體進行實際光學衍射應用時，將一束聚焦的光 波沿垂直于本發明a-Fe203/Si孔狀光子晶體平面的方向入射至其表面，衍射的圖樣為六 角形。光波的衍射點之間的距離與光屏到a_Fe203/Si孔狀光子晶體之間的距離之比值與 光波波長成正比，兩者呈一致的變化趨勢；光波的衍射點之間的距離與光屏到a-Fe203/Si 孔狀光子晶體之間的距離之比值與a-Fe203/Si孔狀光子晶體的周期性大小成反比，兩者 呈相反的變化趨勢。本實施例中，采用晶體周期性a大小不同的本發明a-F%03/Si孔狀光子晶體，在 不同光波波長λ的光波下，分別進行了三組衍射實驗。將光波沿垂直于a-Fe203/Si孔狀 光子晶體平面的方向入射至其表面，衍射的圖樣為六角形。本實施例得到a-Fe203/Si孔狀 光子晶體的周期性大小a、光波波長λ、衍射點之間的距離r與光屏到光子晶體之間的距離 d之比(r/d)三者之間的數值關系，如下表1所示
權利要求
1.一種α -Fe203/Si孔狀光子晶體，其特征在于，包括α -Fe2O3材料和Si襯底；其中， 所述α-Fe2O3材料呈六角形格點周期性排列在所述Si襯底上，所述α-Fe2O3材料的孔徑 為200 nm - 800 nm，其厚度為100-200nm，所述α-Fe2O3材料覆蓋所述Si襯底總面積的 25-35%ο
2.如權利要求1所述α-Fe203/Si孔狀光子晶體的制備方法，其特征在于，依次包括以 下步驟a)將所述Si襯底超聲清洗，然后在500-55(TC下加熱；b)取PS單分散微球滴于所述Si襯底上，將其靜置于空氣中，直到所述PS單分散微球 自組裝成為六角形周期性的模板；c)將10-20μ L Fe (NO3)3溶液滴于步驟b)中組裝好的模板上；d)經110°C下烘干后，再在高溫下加熱，去除PS單分散微球，得到所述a-Fe3203/Si孔 狀光子晶體。
3.如權利要求2所述α_Fe203/Si孔狀光子晶體的制備方法，其特征在于，所述步驟d) 中的高溫加熱是在450-550°C下進行。
4.如權利要求2所述α-Fe203/Si孔狀光子晶體的制備方法，其進一步特征在于，將步 驟d)所得到的α -Fe203/Si孔狀光子晶體進行超聲清洗。
5.如權利要求1所述α-Fe203/Si孔狀光子晶體在光學衍射中的應用，其特征在于，將 一束聚焦的光波沿垂直于所述a-Fe203/Si孔狀光子晶體平面的方向入射至其表面，衍射 的圖樣為六角形；光波的衍射點之間的距離與光屏到所述a-Fe203/Si孔狀光子晶體之間 的距離之比值與所述光波波長成正比，與所述Ci-Fe52CVSi孔狀光子晶體的周期性大小成 反比。
全文摘要
本發明提供了一種α-Fe2O3/Si孔狀光子晶體，包括α-Fe2O3材料和Si襯底，其中，α-Fe2O3材料呈六角形格點周期性排列在Si襯底上。本發明還提供了所述α-Fe2O3/Si孔狀光子晶體的制備方法及其光學衍射應用。本發明通過選擇恰當的材料，對介電常數進行調整，從而構造二維光子晶體，成本低，制備快速且安全。
文檔編號G02B27/42GK102116899SQ20111005117
公開日2011年7月6日 申請日期2011年3月3日 優先權日2011年3月3日
發明者婁蕾, 尹海宏, 張正犁, 朱自強, 郁可 申請人:華東師范大學