三、胶体光子晶体的自组装
介绍//
光子晶体(photonic crystals) 是由两种或两种以上具有不同介电函数的材料在空间周期性排列而形成的一种人造晶体，于1987年由Eli Yablonovitch和Sajeev John正式提出的，并在其后二十年内一直是物理、化学、材料、光电子等众多领域的热点。
光子晶体的一个最重要特性是由于周期性介质对光的布拉格衍射作用，存在着若干个电磁波不能通过的频率范围
，称为光子带隙。
这一性质使光子晶体具有对光子进行三维操控的可能，从而使其在制造光开关、滤波器、发光二极管、激光器、光波导及光纤等光子器件以及甚至全光光子芯片和光通讯领域具有广泛的应用前景。
另外，多孔结构的胶体光子晶体可以在化学、生物学等领域有广泛的应用，例如可用作分子筛、吸附介质、催化剂载体、膜反应器，在离子交换、色谱分析、研制光电化学电池、生物传感器等方面有着越来越广泛的应用。
近年来，光子晶体的研究在结构设计和探索新加工技术方面继续前进。
我们小组着力于发展新的快速、高效、经济的制备高质量胶体光子晶体的自组装方法，这也是目前制备大面积三维光子晶体中最有前景的方法之一。
我们的工作//
自99年以来至今，我们在胶体晶体自组装方面做了一些工作。
我们在实验中发现了不同粒径的纳米粒子与胶体微球的协同自组装效应，最早提出了协同自组装法a(Chem. Mater.,14,83,2002; Appl.Phys.Lett.,77,4313,2000)，制备了高质量的反蛋白石结构。
为了克服现有自组装生长三维胶体光子晶体方法的局限性，例如不适用于各种尺度和材料胶体颗粒，制备晶体质量不能满足实际应用需要，以及生长时间过长等问题，我们发展了一种高效率，易于控制，操作简单，生长光子晶体质量高，重复性好，适用于任何粒径和种类胶体颗粒的自组装方法(双参数生长法)—控压等温垂直生长法b(Appl.Phys.Lett.,90, 051910,2007)。
另外，我们分析了协同自组装过程，发现胶体小球的不规则排列主要是由于快速生长中纳米颗粒造成的阻滞效应(jamming effect)所致。
我们在双参数沉积法的基础上，利用特征红外光技术使弯月面处水的蒸发速率大大加快，提出了一种三参数生长方法—特征红外光辅助协同自组装—来制备三维有序多孔膜c(J.Am.Chem.Soc.,2008 (in press))。
基于这些已经发展的方法，我们将继续探索胶体晶体生长机理，并发展能生长更大面积、更高质量、真正可实际应用的胶体晶体的新方法。
胶体晶体自组装发展历程（指向右上方箭头表示随方法改进生长时间缩短）
a.此法通过胶体小球和纳米粒子的协同自组装效应可一步直接制备出反蛋白石(inverse opal)，生长晶体质量显著提高。
一个十分有趣的现象是，我们发现在协同自组装过程中，纳米粒子的加入有一定修补缺陷的作用。
这为我们打开了一个更加广阔、更加有意义的研究范畴，研究纳米粒子如何影响着胶体小球的运动，研究不同材质（如带电量、磁性等）、大小及形状的胶体小球协同自组装时会有怎样的结果，怎样自组装出各种不同材料和结构的复合光子晶体，这有利于更加深入的理解胶体小球自组装的生长机理，促进光子晶体及多孔材料制备的多样性发展。
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b.通过同时调节生长环境中的温度和压强两个参数，很容易得到不同粒径胶体小球自组装的最佳生长条件：1.通过降低压强，降低溶液的沸点，使生长温度大大下降，适合聚苯乙烯等熔点较低的有机物小球的自组装，或以其它高沸点的液体为溶剂的胶体溶液等，不受胶体小球材料及溶剂限制。
2.使胶体溶液达到近沸腾状态，体循环对流有效地克服了大直径胶体小球的重力沉降，不受胶体小球粒径大小的限制。
3.通过减小压强降低溶剂沸点，在温度接近低压状态下的沸点时进行生长，胶体晶体生长速度比控制温度和湿度的传统垂直沉积法有显著提高。
4.对生长环境具有更好的可控性和稳定性，易于得到胶体晶体生长的最佳条件，大大改善了生长的光子晶体的结晶规则度和光学质量。
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c.制备的三维多孔膜的有序度和单晶面积等结晶质量有根本改善，光谱质量也大大提高：利用特征红外灯照射晶体生长弯月面，弯月面处液体的快速蒸发形成了溶液由体相向弯月面快速流动的流场，从而有效地克服了纳米颗粒造成的阻滞效应。
2.利用特征红外光辐照生长液面，通过调节红外光强，在保持温度和压强不变的情况下，可使液面蒸发速率在大范围内可控加速。
通过同时控制温度、压强和红外光强，使得蒸发速率不受溶剂近沸腾条件的限制，而能在更大的范围内实现三维可调。
因此这种方法是生长过程更加可控，更易于得到生长的最佳条件。
3、红外光在液体中穿透深度不到1mm，不会影响体相液体流动，也不会增加体相水溶液温度，此方法很好的保留了通过原减压自组装法的优点。
4.由于液面（包括弯月面
和水平液面）对红外光的强烈吸收导致的由体相指向液面的正向温度梯度场，有效地抑制了胶体颗粒在生长区内无规运动，从而形成了胶体颗粒的稳态定向输运，极大的抑制了空位、位错、层错等各种缺陷的产生，使晶体生长更加稳定，重复性好，质量提高。
5.对于以水或沸点更高的液体为溶剂的单分散胶体颗粒悬浊液，本方法生长速度比减压自组装法晶体生长速度又有明显提高，仅需10～30分钟。
6.不受胶体颗粒粒径大小、材料的限制。
7.本方法利用不同粒径比及浓度配比的胶体颗粒可协同自组装生长出多种多元材料复合结构的三维胶体晶体和有序多空膜，打破了原有生长方法只能生长单一蛋白石或反蛋白石结构局限性。
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