喻平王鸣自组装胶体晶体微结构纤维的实验研究

1、自组装胶体晶体微结构光纤的实验研究喻平，王鸣（南京师范大学物理科学与技术学院，江苏省光电技术重点实验室，南京 210097）摘 要：利用自组装方法在普通单模光纤裸纤表面生长胶体晶体，提出采用自组装方法可以制备一种新型的三维光子晶体微结构光纤。将直径为700nm的二氧化硅单分散度小于0.02%微球超声分散于乙醇溶液，通过垂直沉积法在表面经湿法腐蚀处理的裸光纤表面组装胶体晶体。采用SEM对样品进行表征，样品表面呈六角密排列，晶体呈FCC结构，其(111)面平行于光纤侧表面，在60摄氏度温度下制备的晶体样品有较好的质量。关键词：微结构光纤光子晶体胶体晶体光子带隙 自组装1引言自从1987年Yablo

2、novitch1和John2各自独立地提出光子晶体的概念以来，光子晶体的研究就成为光电子领域最活跃的研究课题之一。由于胶体自组装方法3具有设备简单、经济、周期较短等特点，采用自组装胶体晶体方法制备光子晶体更是引起了研究者的极大兴趣，大量的研究表明通过自组装方法制备的胶体晶体具有较优异的光学带隙性能，是制备可见光及红外波段三维光子晶体最有效和最有潜力的方法，以胶体晶体为模板进一步还可以制作具有完全光子带隙的反蛋白石结构或非密排蛋白石结构。最近，Yang等人4提出可以通过自组装方法在曲面上自组装胶体光子晶体制备圆筒结构。根据Yang的思想，我们对在光纤高曲率表面胶体晶体生长过程进行分析，提出通过改

3、进工艺，采用自组装方法有可能制备出一种全新的三维光子晶体微结构光纤。本文根据布拉格方程估算带隙位置选取胶体微球材料和材料，通过垂直沉积法制备光子带隙处于通讯波段的胶体晶体履层，用扫描电子显微镜对样品形貌进行表征，最后讨论了裸光纤直径等实验参数对曲面环境下自组装样品质量的影响。2实验2.1实验材料将直径为125um的普通单模光纤剥去涂敷层，用浓度为0.2%的HF溶液清洗裸光纤表面，获得直径分别为55um, 120um的裸光纤作为组装平台。分别用去离子水和乙醇溶液清洗光纤表面，在高温氮气下烘干待用。根据布拉格方程，为制备禁带处于通讯波段的光子晶体，将单分散度<0.02%、直径为700nm的S

4、iO2胶体微球超声分散于乙醇溶液中，配制成浓度质量分数约为0.5%胶体溶液。2.2胶体晶体的制备及表征将5ml配制好的胶体溶液盛于直径为2cm、容积为9ml的塑料小瓶内，将塑料小瓶置于一恒温鼓风干燥箱内。用定制夹持器将光纤器固定在平移台上，调整位移台位置将光纤插入小瓶中央。为防止微球的过快沉积，我们采用50度、60度、70度的温度，实验中鼓风抽气机转速为100rps。采用扫描电子显微镜(SEM)观察样品形貌，为便于观察，在样品表面喷涂均匀薄碳层，在15kV电压下观察样品形貌。3结果与讨论3.1胶体晶体微结构形貌如图1(a)所示，直径为125um普通单模光纤经去除涂敷层后用HF溶液清洗后，表面均

5、匀一致，HF的清洗有利于增强裸纤表面的亲水性。以此为组装平台制作的胶体晶体局部SEM图如图1(b)所示，胶体微球在其表面大部分区域呈六角密排列，但局部地方仍有少量位错等缺陷，形成了以六角密排列为主的多晶区域。由六角密排面堆积可能形成六角密堆积或立方密排列(FCC)结构，尽管多数研究报道实验观察到的为FCC结构，单由本图中所示还不能确定是何种结构。 (a) (b)图1在直径为125um裸纤上组装的样品的SEM图3.2讨论考虑到关于溶液浓度对自组装的影响已有较多研究，在这里我们主要就曲率半径和液面下降速度对自组装的影响进行分析。根据Nagayama5的思想，毛细作用力是垂直沉积法中胶体微球自组装的

6、驱动力，对于实验中作为胶体生长平台的光纤来说，由拉普拉斯方程可知，胶体溶液在与光纤表面、空气三相界面形成的弯月面处压力差为(1)上式中为溶液的表面张力；R、D为确定弯月面界面的两个曲率半径，其中R为弯月面与空气间界面曲率半径，D为光纤直径。由(1)式可知，光纤直径D越大，压力差越大，因而在更大的光纤表面上自组装更容易进行。图2(a)-(b)是在同一温度60摄氏度下在直径为120um和55um裸纤下实验的结果。图2(a)中光纤上有明显的胶体晶体包层，而图(b)所示的光纤上仅有稀疏的微球，没有形成紧密排列的胶体晶体。液面下降速度对胶体晶体的制备也有重要的影响。图2(a)、(c)-(d)是在60度、

7、50度、70度环境下恒温箱中自组装样品的结果。温度的高低极大的影响了溶液的蒸发速度，引起了液面下降速度的不同。温度较低时，溶液蒸发较慢，液面下降的速度也慢，由于块液体向光纤上弯月面表面湿膜处的液体流动也不显著造成胶体微粒的传输较慢，制备的样品很难有晶体形成。相反，过高的温度下微粒传输较快，但随之而来的液面下降较快，在空气、液体和光纤三相界面处的交界线的粘滞滑移运动变得明显，结果形成了如图2(d)所示的“竹”状样品。图2(a)为在60度条件下制备的晶体样品，尽管其覆层表面还不是完全平滑，但其表面大部分区域具有较好的密排结构，其SEM图如图2(e)-(f)所示。由其截面图进一步还可以观察到晶体多数

8、区域呈现FCC结构。与在平板基片上生长晶体的报道相比，我们观察的晶体样品缺陷较多。总结起来，我们认为主要的影响因素有：(1)光纤直径较小，因此毛细驱动力较之在平板上的情况弱，自组装难以进行；(2)光纤为非平面高曲率曲面生长平台，光纤直径越小，导致形成非FCC结构的因素越明显，同时也会带来更多的缺陷或多晶结构，只有在光纤直径远远大于微球直径的情况下，才可以近似认为小球是在平板上自组装生长；(3)光纤表面湿膜面积及蒸发量较小，很难形成有效的液体流动乃至粒子传输难以进行。 (a) (b) (c) (d) (e) (f)图2 不同温度下组装的样品表面形貌SEM图4结束语研究了胶体在裸光纤表面的自组装行

9、为，对制得样品表面形貌进行了表征。在光纤直径远大于微球直径条件下，样品在大部分区域呈FCC结构，其(111)面平行于光纤表面，但光纤表面晶体覆层在长程范围内是多晶结构，在进一步的制备工艺改善中将着重于调整弯月面附近三相交界线的运动以制备表面平滑的高质量晶体以及对样品进行光学特性测试等。本实验所采用的方法简单，制备周期短，以此胶体晶体为模板还可制作反蛋白石结构的晶体覆层，这将为形成一种新型的具有完全光子带隙的三维光子晶体光纤提供了可能。参考文献:1 Yablonovitch E. Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and

10、electronics.J. Phys. Rev. Lett. 1987, 58(20): 2059-2062.2 John S. Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlatticesJ. Phys. Rev. Lett. 1987, 58(23): 2486.3 Xia Y N, Gates B, Li Z Y. Self-assembly approaches to three-dimensional photonic crystalsJ. ADVANCED MATERIALS. 2001

11、, 13(6): 409-413.4 Moon J H, Yi G R, Yang S M. Fabrication of hollow colloidal crystal cylinders and their inverted polymeric replicasJ. JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE. 2005, 287(1): 173-177.5 Dimitrov A S, Nagayama K. Continuous Convective Assembling of Fine Particles into Two-Dimensional

12、 Arrays on Solid SurfacesJ. Langmuir. 1996, 12(5): 1303-1311. Experimental study of the self-assembly 3D photonic crystal microstructure fiberYu Ping1,2, Wang Ming1(1. School of Physics and Technology, Nanjing Normal University, Jiangsu Key Lab on Opto-Electronic Technology, Nanjing 210097, China)(2

13、. Physics and Information Technology Department, Chongqing Normal University, Chongqing 400047, China)Abstract: Colloidal crystal grwoth on fiber was carried out by use of self-assembly method,which was proposed to fabricate a novel 3D photonic crystal microstucture fiber. Silica nanoshperes with diameter in 700nm and polydispersity<0.02% were dispersed in ethanol solution, bare fier was used as scaffold for these nanospheres self-assembly. SEM was carried out for characterize the surface morphology of resulting crystal samples. It is found the (111) planes are parallel to fibers side s