胶体光子晶体

光子晶体是一类在光学尺度(100nm量级)上具有周期性介电结构的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似,光子晶体能够调制具有相应波长的电磁波。光子晶体能带与能带之间出现光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子,不能进入该晶体。原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件,达到控制光子运动的目的。而自然界也存在很多光子晶体结构,如蛋白石,蝴蝶翅膀,具有非常绚丽的光学效果。而从另外一个方面看,有序排列的结构,往往还具有某些其它的性质,比如自然界的的蝇眼,由于其具有的周期结构而具有非常好的亲水疏水性,通过调整其结构和周期结构单元从而可以得到超疏水的材料,用作自清洁材料,这个类比于荷花。所以从很大程度上讲,光子晶体,是“道法自然”。

Butterfly scale structure

光子晶体的运用,比如一种非常有意思的方法,通过在光子晶体某些位置引入缺陷,而该处的周期性条件被破坏,从而频率在禁带内的光子就可以在缺陷中运动,我们做一个点缺陷,该点如果有一个只能发出禁带内光波的发光体,结果是发光体的自发发光行为被禁止。而如果我们把缺陷做成一个线缺陷或者弯曲的路径,那么禁带光子也会被引导着走。这种做成器件,对于未来的光子时代具有很重要的意义。

如何制备光子晶体?如果采用自上向下的方法,需要大量地加工出来100nm量级的周期结构,是非常困难。而另外一种方法,自下向上,就是自组装方法则具有一系列优点。自组装,是指小的结构单元(从纳米到微米,分子,纳米团簇),在彼此的非共价弱相互作用下,自发地组织形成有序结构的这么一个过程。典型的方法,比如我们采用的垂直自组装方法,约500nm的胶体小球分散在纯水中,随着水分的蒸发而自发地在垂直的基地上形成了有序排列的结构。

 

我们的工作主要是探索如何生长结构更加完美、面积更大的胶体光子晶体,下图给出的是我们实验室在胶体晶体生长领域发展阶段中的一些突出的工作,我们从早期的协同自组装生长复杂的分层结构胶体晶体到精确控制胶体晶体生长条件,优化胶体晶体生长的参数温度和压强,不仅大大提高了生长出来胶体晶体的质量,同时大大缩短可生长时间。

同时,为了进一步探索胶体小球自组装的机理,我们自主设计并搭建了一套精确控制温度和压强的胶体晶体生长实时观测系统(见下图),通过显微观察,微米及亚微米尺度的小球在生长前沿处的微观运动状态能够被清楚地记录下来,同时通过观察晶体生长的速率和测量水分蒸发的速率,二者和温度压强的具体关系也可以用stefan定律来进行描述,这就为我们进一步优化胶体晶体的生长条件提供了理论指导。

另一方面,由于上述系统只能观察一定焦平面内胶体小球的二维运动状态,而无法获得整个三维胶体晶体的生长信息,因此我们又进一步搭建出一套实时测量三维胶体晶体生长过程反射谱的实验装置(见下图),该装置克服了普通反射谱测量大面积区域信息平均化的缺点,同时通过斩波轮将测量得到的直流信号转化为交流信号,抑制背景噪声,大大提高了信噪比。具体工作可参考我们近年来发表的文章和专利

图片依次来自:

http://www.nanotechnology.hu/online/2002_butterfly/index.html

http://www.viewsfromscience.com/documents/webpages/natural_photonics_p1.html

Yang, L. et al. In situ observation and measurement of evaporation-induced self-assembly under controlled pressure and temperature. Langmuir : the ACS journal of surfaces and colloids 27, 1700-6 (2011).http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21192705

Zheng, Z. et al. Pressure controlled self-assembly of high quality three-dimensional colloidal photonic crystals. Applied Physics Letters 90, 051910 (2007).