喻平王鳴自組裝膠體晶體微結(jié)構(gòu)纖維的實驗研究

1、自組裝膠體晶體微結(jié)構(gòu)光纖的實驗研究喻平，王鳴（南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇省光電技術(shù)重點(diǎn)實驗室，南京 210097）摘 要：利用自組裝方法在普通單模光纖裸纖表面生長膠體晶體，提出采用自組裝方法可以制備一種新型的三維光子晶體微結(jié)構(gòu)光纖。將直徑為700nm的二氧化硅單分散度小于0.02%微球超聲分散于乙醇溶液，通過垂直沉積法在表面經(jīng)濕法腐蝕處理的裸光纖表面組裝膠體晶體。采用SEM對樣品進(jìn)行表征，樣品表面呈六角密排列，晶體呈FCC結(jié)構(gòu)，其(111)面平行于光纖側(cè)表面，在60攝氏度溫度下制備的晶體樣品有較好的質(zhì)量。關(guān)鍵詞：微結(jié)構(gòu)光纖光子晶體膠體晶體光子帶隙 自組裝1引言自從1987年Yablo

2、novitch1和John2各自獨(dú)立地提出光子晶體的概念以來，光子晶體的研究就成為光電子領(lǐng)域最活躍的研究課題之一。由于膠體自組裝方法3具有設(shè)備簡單、經(jīng)濟(jì)、周期較短等特點(diǎn)，采用自組裝膠體晶體方法制備光子晶體更是引起了研究者的極大興趣，大量的研究表明通過自組裝方法制備的膠體晶體具有較優(yōu)異的光學(xué)帶隙性能，是制備可見光及紅外波段三維光子晶體最有效和最有潛力的方法，以膠體晶體為模板進(jìn)一步還可以制作具有完全光子帶隙的反蛋白石結(jié)構(gòu)或非密排蛋白石結(jié)構(gòu)。最近，Yang等人4提出可以通過自組裝方法在曲面上自組裝膠體光子晶體制備圓筒結(jié)構(gòu)。根據(jù)Yang的思想，我們對在光纖高曲率表面膠體晶體生長過程進(jìn)行分析，提出通過改

3、進(jìn)工藝，采用自組裝方法有可能制備出一種全新的三維光子晶體微結(jié)構(gòu)光纖。本文根據(jù)布拉格方程估算帶隙位置選取膠體微球材料和材料，通過垂直沉積法制備光子帶隙處于通訊波段的膠體晶體履層，用掃描電子顯微鏡對樣品形貌進(jìn)行表征，最后討論了裸光纖直徑等實驗參數(shù)對曲面環(huán)境下自組裝樣品質(zhì)量的影響。2實驗2.1實驗材料將直徑為125um的普通單模光纖剝?nèi)ネ糠髮樱脻舛葹?.2%的HF溶液清洗裸光纖表面，獲得直徑分別為55um, 120um的裸光纖作為組裝平臺。分別用去離子水和乙醇溶液清洗光纖表面，在高溫氮?dú)庀潞娓纱谩８鶕?jù)布拉格方程，為制備禁帶處于通訊波段的光子晶體，將單分散度<0.02%、直徑為700nm的S

4、iO2膠體微球超聲分散于乙醇溶液中，配制成濃度質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.5%膠體溶液。2.2膠體晶體的制備及表征將5ml配制好的膠體溶液盛于直徑為2cm、容積為9ml的塑料小瓶內(nèi)，將塑料小瓶置于一恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)。用定制夾持器將光纖器固定在平移臺上，調(diào)整位移臺位置將光纖插入小瓶中央。為防止微球的過快沉積，我們采用50度、60度、70度的溫度，實驗中鼓風(fēng)抽氣機(jī)轉(zhuǎn)速為100rps。采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品形貌，為便于觀察，在樣品表面噴涂均勻薄碳層，在15kV電壓下觀察樣品形貌。3結(jié)果與討論3.1膠體晶體微結(jié)構(gòu)形貌如圖1(a)所示，直徑為125um普通單模光纖經(jīng)去除涂敷層后用HF溶液清洗后，表面均

5、勻一致，HF的清洗有利于增強(qiáng)裸纖表面的親水性。以此為組裝平臺制作的膠體晶體局部SEM圖如圖1(b)所示，膠體微球在其表面大部分區(qū)域呈六角密排列，但局部地方仍有少量位錯等缺陷，形成了以六角密排列為主的多晶區(qū)域。由六角密排面堆積可能形成六角密堆積或立方密排列(FCC)結(jié)構(gòu)，盡管多數(shù)研究報道實驗觀察到的為FCC結(jié)構(gòu)，單由本圖中所示還不能確定是何種結(jié)構(gòu)。 (a) (b)圖1在直徑為125um裸纖上組裝的樣品的SEM圖3.2討論考慮到關(guān)于溶液濃度對自組裝的影響已有較多研究，在這里我們主要就曲率半徑和液面下降速度對自組裝的影響進(jìn)行分析。根據(jù)Nagayama5的思想，毛細(xì)作用力是垂直沉積法中膠體微球自組裝的

6、驅(qū)動力，對于實驗中作為膠體生長平臺的光纖來說，由拉普拉斯方程可知，膠體溶液在與光纖表面、空氣三相界面形成的彎月面處壓力差為(1)上式中為溶液的表面張力；R、D為確定彎月面界面的兩個曲率半徑，其中R為彎月面與空氣間界面曲率半徑，D為光纖直徑。由(1)式可知，光纖直徑D越大，壓力差越大，因而在更大的光纖表面上自組裝更容易進(jìn)行。圖2(a)-(b)是在同一溫度60攝氏度下在直徑為120um和55um裸纖下實驗的結(jié)果。圖2(a)中光纖上有明顯的膠體晶體包層，而圖(b)所示的光纖上僅有稀疏的微球，沒有形成緊密排列的膠體晶體。液面下降速度對膠體晶體的制備也有重要的影響。圖2(a)、(c)-(d)是在60度、

7、50度、70度環(huán)境下恒溫箱中自組裝樣品的結(jié)果。溫度的高低極大的影響了溶液的蒸發(fā)速度，引起了液面下降速度的不同。溫度較低時，溶液蒸發(fā)較慢，液面下降的速度也慢，由于塊液體向光纖上彎月面表面濕膜處的液體流動也不顯著造成膠體微粒的傳輸較慢，制備的樣品很難有晶體形成。相反，過高的溫度下微粒傳輸較快，但隨之而來的液面下降較快，在空氣、液體和光纖三相界面處的交界線的粘滯滑移運(yùn)動變得明顯，結(jié)果形成了如圖2(d)所示的“竹”狀樣品。圖2(a)為在60度條件下制備的晶體樣品，盡管其覆層表面還不是完全平滑，但其表面大部分區(qū)域具有較好的密排結(jié)構(gòu)，其SEM圖如圖2(e)-(f)所示。由其截面圖進(jìn)一步還可以觀察到晶體多數(shù)

8、區(qū)域呈現(xiàn)FCC結(jié)構(gòu)。與在平板基片上生長晶體的報道相比，我們觀察的晶體樣品缺陷較多?？偨Y(jié)起來，我們認(rèn)為主要的影響因素有：(1)光纖直徑較小，因此毛細(xì)驅(qū)動力較之在平板上的情況弱，自組裝難以進(jìn)行；(2)光纖為非平面高曲率曲面生長平臺，光纖直徑越小，導(dǎo)致形成非FCC結(jié)構(gòu)的因素越明顯，同時也會帶來更多的缺陷或多晶結(jié)構(gòu)，只有在光纖直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微球直徑的情況下，才可以近似認(rèn)為小球是在平板上自組裝生長；(3)光纖表面濕膜面積及蒸發(fā)量較小，很難形成有效的液體流動乃至粒子傳輸難以進(jìn)行。 (a) (b) (c) (d) (e) (f)圖2 不同溫度下組裝的樣品表面形貌SEM圖4結(jié)束語研究了膠體在裸光纖表面的自組裝行

9、為，對制得樣品表面形貌進(jìn)行了表征。在光纖直徑遠(yuǎn)大于微球直徑條件下，樣品在大部分區(qū)域呈FCC結(jié)構(gòu)，其(111)面平行于光纖表面，但光纖表面晶體覆層在長程范圍內(nèi)是多晶結(jié)構(gòu)，在進(jìn)一步的制備工藝改善中將著重于調(diào)整彎月面附近三相交界線的運(yùn)動以制備表面平滑的高質(zhì)量晶體以及對樣品進(jìn)行光學(xué)特性測試等。本實驗所采用的方法簡單，制備周期短，以此膠體晶體為模板還可制作反蛋白石結(jié)構(gòu)的晶體覆層，這將為形成一種新型的具有完全光子帶隙的三維光子晶體光纖提供了可能。參考文獻(xiàn):1 Yablonovitch E. Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and

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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