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氧化锌及铁酸镍三维光子晶体的制备及性能研究

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1 绪论

1.1 引言

1.2 光子晶体

1.3 氧化锌材料

1.4 铁酸镍与微波吸收

1.5 本课题研究内容及意义

2 PMMA蛋白石光子晶体的制备与表征

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

3 ZnO蛋白石光子晶体的制备与表征

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

4 ZnO反蛋白石光子晶体及其光催化性能

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

5 NiFe2O4反蛋白石光子晶体及其吸波性能

5.1 前言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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摘要

光子晶体本质上是一种有序结构，由不同介质在空间周期性排列得到。结构特殊性赋予光子晶体材料许多特性，比如光子带隙、光子局域效应等。其中，光子带隙是其最基本的特性，类似于半导体能带结构中的带隙对电子的作用，光子带隙也可以对光子起到调制作用。本文分别介绍了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、ZnO蛋白石光子晶体材料及ZnO、NiFe2O4反蛋白石光子晶体材料的制备，通过对PMMA、ZnO蛋白石形成的结构色、ZnO反蛋白石的光催化性能及NiFe2O4反蛋白石的微波吸收性能的表征，研究这种特殊微结构对材料各种性能的影响，以便未来可以扩展出光子晶体更多潜在应用。
　　本研究主要内容包括：⑴采用无皂乳液聚合法，制备了单分散性良好且粒径均一可控的胶体聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微球，采用XRD，SEM，FT-IR，UV-Vis反射光谱等对微球及微球自组装后得到的光子晶体结构色进行了表征。结果表明，所制备的微球为非晶体，球面较为光滑，粒径较为均一，介于150~300 nm；粒径受单体浓度、引发剂加入量、反应温度和搅拌速度影响。微球粒径随单体含量增加而变大；随引发剂添加量和搅拌速度的增加呈现出先增大后减小的趋势；反应最佳温度为75 oC。组装成膜的结构色与微球粒径之间呈正比关系，可随微球粒径的增大发生红移；光子晶体中存在的缺陷及过度受热会使光子晶体的有效折射率减小，结构色亮度降低。⑵采用溶胶凝胶两步法制备了单分散性良好、粒径均一可控的ZnO胶体微球，采用XRD，SEM，TEM，FT-IR，TG-DSC及UV-Vis反射光谱等对影响微球粒径的因素及微球自组装后得到的光子晶体结构色进行表征。分析结果表明，制备的ZnO微球为纯净的纤锌矿结构，由ZnO颗粒团聚而成，球面较为粗糙，粒径介于150~500 nm之间。微球粒径随着前驱液加入量增加而逐渐变小。微球内含有约30％的有机物残留，煅烧后微球会发生轻微收缩。采用重力沉积法组装得到ZnO光子晶体结构色层，乳液浓度越大，得到的结构色层越厚；相比于PMMA结构色，ZnO结构色层更耐温。⑶采用自制的PMMA光子晶体为模板，金属离子硝酸盐混合液为前驱液，通过模板法成功制备了具有反蛋白石结构的ZnO材料，采用XRD，SEM，TEM，TG，DRS等对材料的形貌及光催化性能进行分析。研究发现， 制备的ZnO反蛋白石为纤锌矿结构，其结构受到填充前驱液的浓度、浸渍次数及模板移除温度的影响，尤其模板移除温度过高会导致结构变形坍塌。光催化性能分析发现，反蛋白石具有的有序连通孔结构和慢光效应，有效提高了光利用率和有机染料转移效率，使其光催化性能优于同反应条件下制备的ZnO材料。⑷采用模板法制备了NiFe2O4反蛋白石材料，采用XRD，SEM，TEM， VNA等对样品的物相、形貌及性能进行了表征。研究发现，制备的NiFe2O4为纯相的尖晶石结构，结晶性良好；NiFe2O4反蛋白石具有完整的三维有序孔结构，孔形成于有机模板的煅烧移除，光滑的孔壁由铁酸盐纳米颗粒组成，颗粒尺寸均小于27nm，孔径介于70~200 nm之间。与普通无序的铁酸盐纳米颗粒材料的吸波性能进行对比可以发现：其反射损耗最大可达27.5dB，高于无序NiFe2O4颗粒的17.4dB，使其吸波性能有了很大提高。

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