第２９卷第１０期
２００９年ｌｏ月
文章编号：０２５３—２２３９（２００９）１０—２９０５—０４
光学学报
Ｖ０１．２９，Ｎｏ．１０Ｏｃｔｏｂｅｒ，２００９
ＡＣＴＡ０ＰＴＩＣＡＳＩＮＩＣＡ
ＦＣＣ结构胶体光子晶体的制备及其带隙特性测量
闰海涛１’２
、
王
鸣１葛益娴１喻平１刘青１
，
／１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，江苏南京２１００９７、
２河南科技大学理学院，河南洛阳４７１００３
摘要基于对光纤传输特性和胶体光子晶体制备方法的研究，提出了用外加电场控制的方法制备光子带隙位于通讯波段的ＦＣＣ结构的胶体光子晶体，并用光纤系统测试胶体光子晶体的带隙特性。采用ＲＳＯＦＴ模拟了胶体光子晶体的带隙，分析了带隙位于通讯波段时所需的胶体微球的基本参量（微球折射率和直径）。采用自组装的方法，用步进电机控制玻璃基片向上的拉升速率。速率为５“ｍ／ｓ．同时外加一电场。用扫描电镜观测胶体晶体的表面形貌，并设计了单模光纤系统测量胶体光子晶体的带隙特性。测试的透射谱线表明胶体光子晶体的带隙中心波长为
１５５２
ａｍ。测试结果和模拟结果具有很好的一致性，误差只有２
ａｍ。
关键词材料；胶体光子晶体；带隙；电场；光纤
中图分类号０７３４
文献标识码Ａ
ｄｏｉ：１０．３７８８／ＡＯＳ２００９２９１０．２９０５
ＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆＦＣＣＳｔｒｕｃｔｕｒｅＣｏｌｌｏｉｄａｌＰｈｏｔｏｎｉｃＣｒｙｓｔａｌｓａｎｄ
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Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
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１５５２ｎｍ．ＴｈｅａｇｒｅｅｍｅｎｔｉＳｏｆｏｎｌｙ２ａｍ．
ｇｏｏｄｂｅｔｗｅｅｎ
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１
引言
研究领域。如光子晶体有源器件的制作‘３｜，光子晶体的带隙理论的研究以及基于光子晶体带隙理论制备的光子晶体光纤等‘４￣６‘。现在有许多方法已被用于制备具有能带结构的光子晶体，如选择性刻
自从贝尔通信研究所ＥｌｉＹａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ‘１１和美国普林斯顿大学ＳａｊｅｅｖＪｏｈｎ‘２３在１９８７年提出光子晶体的概念以来，光子晶体一直是一个非常活跃的
收稿日期：２００８—１１—３０；收到修改稿日期：２００９—０１—０４
基金项目：江苏省科技支撑计划项目（ＢＥ２００８１３８）资助课题。
作者简介：闫海涛（１９７８一），博士研究生，主要从事光电子技术与激光应用等方面的研究。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｎｈａｉｔａｏｙｈｔ＠１６３．ｃｏｒｎ
导师简介：王
鸣（１９５０一），教授，博士生导师，主要从事光电技术和微纳技术等方面的研究。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｍｉｎｇ＠ｎｊｎｕ．ｅｄｕ．ｃａ
万方数据
２９０６光学蚀Ｈ］，自组装聚合物∽￣１¨等。其中，胶体光子晶体就是基于研究光子晶体的制备而形成的新的研究热点。胶体光子晶体是指亚微米级的单分散胶体微球在合适的条件下自发形成三维有序周期结构。其制备过程所需费用较低且容易操作，因此胶体微球的自组装被认为是近红外、光学以及更短波段三维光子晶体的最有效、最有前途的制备方法。胶体光子晶体不具有完全带隙，但它不仅可以用于制作滤光器和光开关、高密度磁性数据存储器件、化学和生物传感器，而且为利用模板技术制备具有完全带隙的有序孔结构提供理想模板‘１２，１３］等。
在胶体光子晶体的制备方法中，有垂直沉积
法［１３｜，自然沉降法，模板法等。但是这些方法对于
直径为４００ｎｍ以下的胶体颗粒的组装有比较好的效果，但是在大于４００ｎｍ的胶体粒子组装中，会产生很多缺陷和杂乱的阵列。本文选取直径为
７００
ｎｍ的ＰＭＭＡ胶体微球。在胶体晶体制备过程
中，采用外加电场和拉伸方法相结合在玻璃基片上制备了带隙位于光通讯波段的胶体晶体，用拉伸速度控制胶体微球的结晶厚度，外加电场控制淀积速度。得到了较好的效果。与一般的带隙波长测量方法不同，用单模光纤直接测量胶体晶体的光子带隙。测量结果表明，ＰＭＭＡ胶体晶体的光子带隙的中心波长为１５５２ｎｍ。与理论计算和软件模拟具有很好的一致性。
２
理论分析
２．１
理论计算确定ＰＭＭＡ胶体微粒直径
类似晶体学的Ｘ射线衍射现象，光在光子晶体
中也存在布拉格衍射效应。在光子晶体禁带频率范围内的光不能通过晶体，而是被弹性散射形成衍射图。它的产生是由于相干散射波的干涉，并遵守布拉格一伍尔夫条件
２ｄｓｉｎ０一疗Ａ，
（１）
其中ｄ为晶格间距，行为衍射级次。图１为布拉格衍射示意图。
但是在光子晶体中，折射率不再为１，折射率为平均折射率是由介质和填充孔介质（或空气）的材料占有比例计算得来的，所以用修正的布拉格公式来估算所需ＰＭＭＡ胶体微粒的直径，考虑到光子晶体的反射光和入射光的入射角，修正的布拉格公式为
Ａ。。＝一ＺＩ型ｈｋｌ石ｉ＝再而，
（２）
万方数据
学报２９卷
图１布拉格衍射不意图
Ｆｉｇ．１
ＳｋｅｔｃｈｏｆＢｒａｇｇｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ
Ａ。。。为反射光最弱的波长（也就是带隙中心波长的位置），ｄ№，为ｈｋｌ晶面的间距，ｍ为布拉格衍射条纹的级次，竹。。为光子晶体的平均折射率，目为人射光线与表面的法线问的夹角。ＰＭＭＡ胶体光子晶体放置在空气中，咒。，。一Ｔ／ＰＭＭＡｆＰＭＭＡ＋／＇／ａｉｒ＾－ｒ＇其中
７ｚＰＭＭＡ一１．４９２，以。ｉ，＝１．０００，厂ＰＭＭ＾和厂ａｉ是ＰＭＭＡ
胶体微球和空气在胶体晶体的占有比例［在面心立方（ＦＣＣ）结构中一般取７４％和２６％］，在布拉格衍射第一级次和ＦＣＣ结构的［１１１］晶面的情况下，
ｄｈｋｌ＝０．８１６５
Ｄ，Ｄ为（１１１）晶面上相邻的ＰＭＭＡ
微球的平均中心距离。因此，（２）式可以简化为
Ａ。。，一１．６３３Ｄ￣／卵ｍ２一ｓｉｎ２０，
（３）
对于ＦＣＣ结构排列的微球，Ｄ可以近似的取为ＰＭＭＡ微球的直径。如果使Ａ。。处于１５１０～
１５９０
ｎｍ之间，将Ａ。，代入（３）式，可以得到Ｄ的范
围是６７８～７１３ｎｍ，因此我们选取了直径６９５ｎｍ的
ＰＭＭＡ微球，Ｄ一６９５ｎｍ时，Ａ。。为１５４８ｎｍ。
２．２理论模拟
用ＲＳＯＦＴ软件模拟该理论。如图２所示，图中横坐标表示布里渊区的高对称点，纵坐标表示电磁波的约化频率。从图中能带结构可以看到，由于ＰＭＭＡ与空气的介电常数对比小，以及ＦＣＣ结构的高对称性，导致在Ｘ点和ｗ点能量出现简并的现象，使得ＦＣＣ结构的光子晶体没有完全带隙存在。而在Ｉ。点的能带结构表明，约化频率为０．６２～０．６７之间存在一个方向带隙，即在晶体中沿［１１１］方向传播的该频率的电磁波被禁止传播。从图中可以看出，中心约化频率ｎＡ＝０．６３４，其中ａ为光子晶体的周期。入射光设为ＴＥ模，入射角为零度。所以中心波长Ａ满足ａ／；ｔ＝０．６３４，对于ＦＣＣ结构，ａ与微球直径Ｄ的关系满足：ａ＝１．４１４Ｄ，ＰＭＭＡ微球Ｄ一６９５ｎｍ，可以得到Ａ＝１５５０．０ｎｍ。这与理论
１０期同海涛等：ＦＣＣ结构胶体光子晶体的制备及其带隙特性测量
２９０７
外加电场中，电压为１００Ｖ／ｍ。利用静电力来平衡重力，减缓沉积速度。恒温５０℃蒸发溶液，两个小
时后，在约３ｃｍ长的玻璃基片上生长有胶体晶体，
室温静置２ｄ待测。
图２
ＲＳＯＦＴ模拟计算ＦＣＣ结构的胶体光子
晶体的带隙
Ｆｉｇ．２
ＰＢＧｏｆｔｈｅＦＣＣｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｃｏｌｌｏｉｄａｌｐｈｏｔｏｎｉｃ
ｃｒｙｓｔａｌｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｂｙＲＳＯＦＴ
计算的结果只有很小的误差。
图３实验装置
３胶体光子晶体的制备
３．１
Ｆｉｇ．３Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕｐ
实验准备
用水／乙醇（１：４体积比）配备含５％的单分散的
６９５
４实验结果和讨论
４．１胶体晶体形貌观测和讨论
ｎｍ的ＰＭＭＡ胶体微粒，直径的相对标准偏差
小于２％。在容器中超声波振动约１ｈ，形成一个乳白色的胶体悬浮。玻璃用超声波。０．１ｍｏｌ／Ｌ的盐酸溶液，乙醇和去离子水，反复清洗。
３．２实验装置和制备－
静置后的胶体晶体，在白光下观察，可以明显的看到，基片上的胶体晶体的颜色如彩虹一样。用ＪＳＭ一５６１０场发射扫描电子显微镜（ＳＥＭ）观测玻璃管内部的胶体晶体的形貌。图４为扫描电镜照片，如图４（ａ），胶体晶体具有少量的缺陷和龟裂［图４（ａ）中的Ａ和Ｂ］，有序的排列为面心立方（ＦＣＣ）结构。图４（ｂ）是在更高放大倍数下观测到的扫描电镜照片，能更好的显示胶体晶体的结构。图４（ｃ）是玻璃管剖开位置的胶体晶体边缘位置，胶体晶体的层数为７层，是良好的阵列排列。
由于在实验中，我们用拉伸速度控制结晶层数，用电场力平衡重力。减缓胶体颗粒淀积速率，延长了胶体颗粒的结晶过程，克服了大直径颗粒微球沉积过快的缺点，制备了质量较高的胶体晶体。
实验装置如图３所示，将清洗过的玻璃基片插入盛有ＰＭＭＡ胶体溶液的玻璃瓶中，玻璃瓶置于一恒温水浴加热容器中，玻璃基片顶端连接在步进电机上，步进电机的提升速度为Ｖ＝５／－ｍ／ｓ。拉升的速度和胶体光子晶体的厚度成相反关系，从而可由步进电机的拉升速度来控制胶体光子晶体的厚度。由于制备胶体光子晶体所用的胶体颗粒直径偏大，重力作用就会比较明显，导致胶体粒子沉积速度过快，从而导致制备的胶体光子晶体的结构杂乱。所以，再将整个胶体晶体自组装装置再放置于一个
图４扫描电镜照片（ａ）大表面胶体晶体，（ｂ）有序排列，（ｃ）胶体晶体边缘位置
Ｆｉｇ．４
ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆ（ａ）ｂｉｇｓｕｅｒｆｉｃｉａｌｃｏｌｌｏｉｄａｌｃｒｙｓｔａｌ；（ｂ）ｔｈｅ
ｃｏｌｌｏｉｄａｌ
ｃｒｙａｔａｌ
ａｒｒａｙ
ｉｎｏｒｄｅｒ；ａｎｄ（ｃ）ｔｈｅｅｄｇｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆ
万方数据
２９０８光
学４．２胶体晶体光子带隙的测量和讨论
通常胶体光子晶体采用ＵＶ—Ｖｉｓ（荧光光谱仪）测量其光学特性，以确定禁带波长。因此设计了光纤测量的方法。采用传感分析仪（ＭＯＩ公司的Ｓ１７２０。光源波长范围是１５１０～１５９０ｎｍ）进行胶体晶体禁带波长的测量。对接好的光纤与胶体光子晶体连接到传感分析仪的光信号输出与输入的两端。入射光垂直入射ＦＣＣ结构的［１１１］晶面，就是平行于玻璃基片的晶面。光纤跳线端面分别处于玻璃基片的对称位置。光纤出射光经过胶体光子晶体，再透过玻璃基片，输入到连在传感分析仪另一光纤。
图５为得到光纤的透射光谱。光谱在１５１０～
１５９０
ｎｍ波段，具有一明显的光子带隙，中心波长约
为１５５２ｎｌＴｌ，与理论计算误差为２ｎｍ，具有良好的一致性。引起误差的原因有两个方面：１）模拟和理论计算认为光子晶体为良好的ＦＣＣ结构，我们实际制备的胶体光子晶体还存在缺陷以及其它晶体结构（点阵排列）；２）因为胶体光子晶体很小，而且入射光由光纤传输，所以光纤入射光在垂直ＦＣＣ结构的［１１１］晶面上有偏差。
胶体光子晶体的透射光谱表明了该方法制备较大颗粒的胶体光子晶体和用光纤测量微小面积的胶体晶体具有的可行性。
Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ／ｍｎ
图５胶体晶体透射光谱
Ｆｉｇ．５
Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆｃｏｌｌｏｉｄａｌｃｒｙａｔａｌ
５
结论
通过理论分析和软件模拟分析了光子带隙位于通讯波段时所需的胶体微球的基本参量（微球折射率和直径），理论计算得到ｒＰＭＭＡ胶体微球颗粒的直径分别为６９５ｎｍ时制备的ＦＣＣ结构的胶体晶体的光子带隙位置为１５５０ｎｍ。用步进电机控制基
万方数据
学报２９卷
片拉伸的方法和外加电场方法相结合，制备质量较高的胶体晶体。用扫描电镜观测胶体晶体的表面形貌，并设计了单模光纤系统测量胶体晶体的光子带隙特性，测试的透射谱线表明胶体光子晶体的带隙的中心波长位于１５５２ｎｍ。测试结果和模拟结果具有很好的一致性，误差只有２ｎｍ。表明了该种制备方法和测试方法的可行性，为胶体晶体应用到光通讯中做了初步的研究。
参
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／１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，江苏南京２１００９７、
２河南科技大学理学院，河南洛阳４７１００３
摘要基于对光纤传输特性和胶体光子晶体制备方法的研究，提出了用外加电场控制的方法制备光子带隙位于通讯波段的ＦＣＣ结构的胶体光子晶体，并用光纤系统测试胶体光子晶体的带隙特性。采用ＲＳＯＦＴ模拟了胶体光子晶体的带隙，分析了带隙位于通讯波段时所需的胶体微球的基本参量（微球折射率和直径）。采用自组装的方法，用步进电机控制玻璃基片向上的拉升速率。速率为５“ｍ／ｓ．同时外加一电场。用扫描电镜观测胶体晶体的表面形貌，并设计了单模光纤系统测量胶体光子晶体的带隙特性。测试的透射谱线表明胶体光子晶体的带隙中心波长为
１５５２
ａｍ。测试结果和模拟结果具有很好的一致性，误差只有２
ａｍ。
关键词材料；胶体光子晶体；带隙；电场；光纤
中图分类号０７３４
文献标识码Ａ
ｄｏｉ：１０．３７８８／ＡＯＳ２００９２９１０．２９０５
ＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆＦＣＣＳｔｒｕｃｔｕｒｅＣｏｌｌｏｉｄａｌＰｈｏｔｏｎｉｃＣｒｙｓｔａｌｓａｎｄ
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１
引言
研究领域。如光子晶体有源器件的制作‘３｜，光子晶体的带隙理论的研究以及基于光子晶体带隙理论制备的光子晶体光纤等‘４￣６‘。现在有许多方法已被用于制备具有能带结构的光子晶体，如选择性刻
自从贝尔通信研究所ＥｌｉＹａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ‘１１和美国普林斯顿大学ＳａｊｅｅｖＪｏｈｎ‘２３在１９８７年提出光子晶体的概念以来，光子晶体一直是一个非常活跃的
收稿日期：２００８—１１—３０；收到修改稿日期：２００９—０１—０４
基金项目：江苏省科技支撑计划项目（ＢＥ２００８１３８）资助课题。
作者简介：闫海涛（１９７８一），博士研究生，主要从事光电子技术与激光应用等方面的研究。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｎｈａｉｔａｏｙｈｔ＠１６３．ｃｏｒｎ
导师简介：王
鸣（１９５０一），教授，博士生导师，主要从事光电技术和微纳技术等方面的研究。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｍｉｎｇ＠ｎｊｎｕ．ｅｄｕ．ｃａ
万方数据
２９０６光学蚀Ｈ］，自组装聚合物∽￣１¨等。其中，胶体光子晶体就是基于研究光子晶体的制备而形成的新的研究热点。胶体光子晶体是指亚微米级的单分散胶体微球在合适的条件下自发形成三维有序周期结构。其制备过程所需费用较低且容易操作，因此胶体微球的自组装被认为是近红外、光学以及更短波段三维光子晶体的最有效、最有前途的制备方法。胶体光子晶体不具有完全带隙，但它不仅可以用于制作滤光器和光开关、高密度磁性数据存储器件、化学和生物传感器，而且为利用模板技术制备具有完全带隙的有序孔结构提供理想模板‘１２，１３］等。
在胶体光子晶体的制备方法中，有垂直沉积
法［１３｜，自然沉降法，模板法等。但是这些方法对于
直径为４００ｎｍ以下的胶体颗粒的组装有比较好的效果，但是在大于４００ｎｍ的胶体粒子组装中，会产生很多缺陷和杂乱的阵列。本文选取直径为
７００
ｎｍ的ＰＭＭＡ胶体微球。在胶体晶体制备过程
中，采用外加电场和拉伸方法相结合在玻璃基片上制备了带隙位于光通讯波段的胶体晶体，用拉伸速度控制胶体微球的结晶厚度，外加电场控制淀积速度。得到了较好的效果。与一般的带隙波长测量方法不同，用单模光纤直接测量胶体晶体的光子带隙。测量结果表明，ＰＭＭＡ胶体晶体的光子带隙的中心波长为１５５２ｎｍ。与理论计算和软件模拟具有很好的一致性。
２
理论分析
２．１
理论计算确定ＰＭＭＡ胶体微粒直径
类似晶体学的Ｘ射线衍射现象，光在光子晶体
中也存在布拉格衍射效应。在光子晶体禁带频率范围内的光不能通过晶体，而是被弹性散射形成衍射图。它的产生是由于相干散射波的干涉，并遵守布拉格一伍尔夫条件
２ｄｓｉｎ０一疗Ａ，
（１）
其中ｄ为晶格间距，行为衍射级次。图１为布拉格衍射示意图。
但是在光子晶体中，折射率不再为１，折射率为平均折射率是由介质和填充孔介质（或空气）的材料占有比例计算得来的，所以用修正的布拉格公式来估算所需ＰＭＭＡ胶体微粒的直径，考虑到光子晶体的反射光和入射光的入射角，修正的布拉格公式为
Ａ。。＝一ＺＩ型ｈｋｌ石ｉ＝再而，
（２）
万方数据
学报２９卷
图１布拉格衍射不意图
Ｆｉｇ．１
ＳｋｅｔｃｈｏｆＢｒａｇｇｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ
Ａ。。。为反射光最弱的波长（也就是带隙中心波长的位置），ｄ№，为ｈｋｌ晶面的间距，ｍ为布拉格衍射条纹的级次，竹。。为光子晶体的平均折射率，目为人射光线与表面的法线问的夹角。ＰＭＭＡ胶体光子晶体放置在空气中，咒。，。一Ｔ／ＰＭＭＡｆＰＭＭＡ＋／＇／ａｉｒ＾－ｒ＇其中
７ｚＰＭＭＡ一１．４９２，以。ｉ，＝１．０００，厂ＰＭＭ＾和厂ａｉ是ＰＭＭＡ
胶体微球和空气在胶体晶体的占有比例［在面心立方（ＦＣＣ）结构中一般取７４％和２６％］，在布拉格衍射第一级次和ＦＣＣ结构的［１１１］晶面的情况下，
ｄｈｋｌ＝０．８１６５
Ｄ，Ｄ为（１１１）晶面上相邻的ＰＭＭＡ
微球的平均中心距离。因此，（２）式可以简化为
Ａ。。，一１．６３３Ｄ￣／卵ｍ２一ｓｉｎ２０，
（３）
对于ＦＣＣ结构排列的微球，Ｄ可以近似的取为ＰＭＭＡ微球的直径。如果使Ａ。。处于１５１０～
１５９０
ｎｍ之间，将Ａ。，代入（３）式，可以得到Ｄ的范
围是６７８～７１３ｎｍ，因此我们选取了直径６９５ｎｍ的
ＰＭＭＡ微球，Ｄ一６９５ｎｍ时，Ａ。。为１５４８ｎｍ。
２．２理论模拟
用ＲＳＯＦＴ软件模拟该理论。如图２所示，图中横坐标表示布里渊区的高对称点，纵坐标表示电磁波的约化频率。从图中能带结构可以看到，由于ＰＭＭＡ与空气的介电常数对比小，以及ＦＣＣ结构的高对称性，导致在Ｘ点和ｗ点能量出现简并的现象，使得ＦＣＣ结构的光子晶体没有完全带隙存在。而在Ｉ。点的能带结构表明，约化频率为０．６２～０．６７之间存在一个方向带隙，即在晶体中沿［１１１］方向传播的该频率的电磁波被禁止传播。从图中可以看出，中心约化频率ｎＡ＝０．６３４，其中ａ为光子晶体的周期。入射光设为ＴＥ模，入射角为零度。所以中心波长Ａ满足ａ／；ｔ＝０．６３４，对于ＦＣＣ结构，ａ与微球直径Ｄ的关系满足：ａ＝１．４１４Ｄ，ＰＭＭＡ微球Ｄ一６９５ｎｍ，可以得到Ａ＝１５５０．０ｎｍ。这与理论
１０期同海涛等：ＦＣＣ结构胶体光子晶体的制备及其带隙特性测量
２９０７
外加电场中，电压为１００Ｖ／ｍ。利用静电力来平衡重力，减缓沉积速度。恒温５０℃蒸发溶液，两个小
时后，在约３ｃｍ长的玻璃基片上生长有胶体晶体，
室温静置２ｄ待测。
图２
ＲＳＯＦＴ模拟计算ＦＣＣ结构的胶体光子
晶体的带隙
Ｆｉｇ．２
ＰＢＧｏｆｔｈｅＦＣＣｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｃｏｌｌｏｉｄａｌｐｈｏｔｏｎｉｃ
ｃｒｙｓｔａｌｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｂｙＲＳＯＦＴ
计算的结果只有很小的误差。
图３实验装置
３胶体光子晶体的制备
３．１
Ｆｉｇ．３Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕｐ
实验准备
用水／乙醇（１：４体积比）配备含５％的单分散的
６９５
４实验结果和讨论
４．１胶体晶体形貌观测和讨论
ｎｍ的ＰＭＭＡ胶体微粒，直径的相对标准偏差
小于２％。在容器中超声波振动约１ｈ，形成一个乳白色的胶体悬浮。玻璃用超声波。０．１ｍｏｌ／Ｌ的盐酸溶液，乙醇和去离子水，反复清洗。
３．２实验装置和制备－
静置后的胶体晶体，在白光下观察，可以明显的看到，基片上的胶体晶体的颜色如彩虹一样。用ＪＳＭ一５６１０场发射扫描电子显微镜（ＳＥＭ）观测玻璃管内部的胶体晶体的形貌。图４为扫描电镜照片，如图４（ａ），胶体晶体具有少量的缺陷和龟裂［图４（ａ）中的Ａ和Ｂ］，有序的排列为面心立方（ＦＣＣ）结构。图４（ｂ）是在更高放大倍数下观测到的扫描电镜照片，能更好的显示胶体晶体的结构。图４（ｃ）是玻璃管剖开位置的胶体晶体边缘位置，胶体晶体的层数为７层，是良好的阵列排列。
由于在实验中，我们用拉伸速度控制结晶层数，用电场力平衡重力。减缓胶体颗粒淀积速率，延长了胶体颗粒的结晶过程，克服了大直径颗粒微球沉积过快的缺点，制备了质量较高的胶体晶体。
实验装置如图３所示，将清洗过的玻璃基片插入盛有ＰＭＭＡ胶体溶液的玻璃瓶中，玻璃瓶置于一恒温水浴加热容器中，玻璃基片顶端连接在步进电机上，步进电机的提升速度为Ｖ＝５／－ｍ／ｓ。拉升的速度和胶体光子晶体的厚度成相反关系，从而可由步进电机的拉升速度来控制胶体光子晶体的厚度。由于制备胶体光子晶体所用的胶体颗粒直径偏大，重力作用就会比较明显，导致胶体粒子沉积速度过快，从而导致制备的胶体光子晶体的结构杂乱。所以，再将整个胶体晶体自组装装置再放置于一个
图４扫描电镜照片（ａ）大表面胶体晶体，（ｂ）有序排列，（ｃ）胶体晶体边缘位置
Ｆｉｇ．４
ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆ（ａ）ｂｉｇｓｕｅｒｆｉｃｉａｌｃｏｌｌｏｉｄａｌｃｒｙｓｔａｌ；（ｂ）ｔｈｅ
ｃｏｌｌｏｉｄａｌ
ｃｒｙａｔａｌ
ａｒｒａｙ
ｉｎｏｒｄｅｒ；ａｎｄ（ｃ）ｔｈｅｅｄｇｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆ
万方数据
２９０８光
学４．２胶体晶体光子带隙的测量和讨论
通常胶体光子晶体采用ＵＶ—Ｖｉｓ（荧光光谱仪）测量其光学特性，以确定禁带波长。因此设计了光纤测量的方法。采用传感分析仪（ＭＯＩ公司的Ｓ１７２０。光源波长范围是１５１０～１５９０ｎｍ）进行胶体晶体禁带波长的测量。对接好的光纤与胶体光子晶体连接到传感分析仪的光信号输出与输入的两端。入射光垂直入射ＦＣＣ结构的［１１１］晶面，就是平行于玻璃基片的晶面。光纤跳线端面分别处于玻璃基片的对称位置。光纤出射光经过胶体光子晶体，再透过玻璃基片，输入到连在传感分析仪另一光纤。
图５为得到光纤的透射光谱。光谱在１５１０～
１５９０
ｎｍ波段，具有一明显的光子带隙，中心波长约
为１５５２ｎｌＴｌ，与理论计算误差为２ｎｍ，具有良好的一致性。引起误差的原因有两个方面：１）模拟和理论计算认为光子晶体为良好的ＦＣＣ结构，我们实际制备的胶体光子晶体还存在缺陷以及其它晶体结构（点阵排列）；２）因为胶体光子晶体很小，而且入射光由光纤传输，所以光纤入射光在垂直ＦＣＣ结构的［１１１］晶面上有偏差。
胶体光子晶体的透射光谱表明了该方法制备较大颗粒的胶体光子晶体和用光纤测量微小面积的胶体晶体具有的可行性。
Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ／ｍｎ
图５胶体晶体透射光谱
Ｆｉｇ．５
Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆｃｏｌｌｏｉｄａｌｃｒｙａｔａｌ
５
结论
通过理论分析和软件模拟分析了光子带隙位于通讯波段时所需的胶体微球的基本参量（微球折射率和直径），理论计算得到ｒＰＭＭＡ胶体微球颗粒的直径分别为６９５ｎｍ时制备的ＦＣＣ结构的胶体晶体的光子带隙位置为１５５０ｎｍ。用步进电机控制基
万方数据
学报２９卷
片拉伸的方法和外加电场方法相结合，制备质量较高的胶体晶体。用扫描电镜观测胶体晶体的表面形貌，并设计了单模光纤系统测量胶体晶体的光子带隙特性，测试的透射谱线表明胶体光子晶体的带隙的中心波长位于１５５２ｎｍ。测试结果和模拟结果具有很好的一致性，误差只有２ｎｍ。表明了该种制备方法和测试方法的可行性，为胶体晶体应用到光通讯中做了初步的研究。
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