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氧等離子刻蝕改變膠體光子晶體晶格示意圖

    光子晶體因其對(duì)光的調(diào)控作用顯現(xiàn)出巨大的研究?jī)r(jià)值。通過Bottom-Up方法將單分散亞微米膠體顆粒組裝成為三維周期性堆積結(jié)構(gòu)，具有操作過程簡(jiǎn)單、成本低、可大規(guī)模制備等優(yōu)點(diǎn)，成為光子晶體走向應(yīng)用的重要制備途徑。然而，通常的球形膠體顆粒緊密堆積后因能量有利而得到面心立方緊密堆積結(jié)構(gòu)（FCC），理論計(jì)算表明，這種結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)完全光子帶隙。由此結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)而成的反蛋白石結(jié)構(gòu)則要求光子晶體中兩種介電材料的折光率比不低于2.8時(shí)才有可能實(shí)現(xiàn)完全光子帶隙，這也為在可見光區(qū)域挑選合適的光子晶體材料設(shè)置了難以突破的障礙。

    在國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和中國(guó)科學(xué)院的支持下，化學(xué)研究所光化學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員從2008年開始開展新型對(duì)稱性結(jié)構(gòu)三維光子晶體的研究。他們制備了單分散的磁性橢球形膠體顆粒，利用外加磁場(chǎng)導(dǎo)向，得到橢球長(zhǎng)軸平行于基底的橢球形結(jié)構(gòu)基元三維光子晶體，獲得第一例可見光區(qū)域內(nèi)由非球形膠體顆粒直接組裝而成的非球形結(jié)構(gòu)基元三維光子晶體，并成功表征了其光子帶隙（Adv. Mater. 2009, 21, 1936-1940）。在此基礎(chǔ)上，他們又進(jìn)一步制備了取向可控的橢球形結(jié)構(gòu)基元三維光子晶體（Langmuir 2010, 26, 11544-11549）。他們還通過把聚苯乙烯膠體光子晶體嵌入在聚乙烯醇薄膜中，利用吹膜法得到扁球結(jié)構(gòu)基元的三維光子晶體（Langmuir 2009, 25, 10218-10222）。

    最近，他們將SiO₂@PMMA單分散核殼膠體微球組裝成傳統(tǒng)的面心立方結(jié)構(gòu)三維光子晶體，利用氧等離子刻蝕，緩慢剝?nèi)ネ鈱拥木酆衔餁ぃ瑹o法被刻蝕的二氧化硅內(nèi)核則陷落到下一層相鄰膠體顆粒所圍成的微腔中。利用氧等離子刻蝕在膠體光子晶體表面速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于內(nèi)部刻蝕速度的特性，使得刻蝕可以逐層進(jìn)行。在光子晶體晶面間縱向間距縮小的同時(shí)，同一晶面內(nèi)微球的水平位置由于上下層微球的限制作用而固定，同時(shí)也使得整個(gè)膠體光子晶體的有序性得以保持，但晶格結(jié)構(gòu)由于晶面間距的縮小而發(fā)生改變。通過改變核殼膠體顆粒核與殼的尺寸比例，可以分別得到三斜晶格、簡(jiǎn)單立方晶格和體心立方晶格，這些新型結(jié)構(gòu)有利于三維光子晶體中光子帶隙的拓寬。

    相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 17340-17342上。文章發(fā)表后即被Nature China的Research Highlights欄目評(píng)述報(bào)道(http://www.nature.com/nchina/2011/110105/full/nchina.2011.143.html)。