外场作用下光子带隙可调的光子晶体的组装及性能研究

光子晶体是一种能够控制光的传播和发射的周期性介电结构，对未来信息技术的发展具有重要意义。本课题将制备单分散、尺寸均一的超顺磁性纳米氧化铁，在其表面包覆二氧化硅后，制备单"核"的、具有核-壳结构的胶体粒子。通过外加磁场对超顺磁性"核"的作用，以及外加电场对具有较高电荷密度"壳"的作用，在有机碱的触发下，使分散在介质中的胶体粒子形成有序的三维阵列，"结晶"成为软胶体晶体。通过改变外加磁场、电场的方向和强度，对胶体晶体的结构进行调制，制备出光子带隙可调的光子晶体。用光聚合的方法，将所制备的软胶体晶体凝胶化，获得固态的胶体晶体，并对其结构和光学性质进行研究。

本课题按照项目计划书的研究内容和研究目标，开展了大量的研究工作，基本完成了项目计划书的研究目标。我们分别采用微波加热分解油酸铁、回流加热分解油酸铁、回流加热分解五羰基铁等多种方法制备了多种尺寸的纳米氧化铁，研究了各种制备条件对产物的形貌和性能的影响，并对纳米氧化铁的形成机理进行了探讨。为了获得合适尺寸的超顺磁性纳米颗粒用于组装胶体晶体，我们采用了在纳米氧化铁表面包覆SiO2的方法。我们选取回流加热分解油酸铁所制备的纳米氧化铁，进行了表面包覆SiO2的研究。分别采用Stöber方法和反相微乳液方法进行了实验，研究了制备条件对包覆效果及包覆层厚度的影响。我们用反相微乳液的方法制备了单核的核-壳结构的胶体粒子，用Igepal CO-520 和Igepal CO-720两种非离子型表面活性剂作为乳化剂，详细研究了表面活性剂的种类、用量、助表面活性剂的用量、氨水的用量等因素对所制备的核-壳结构胶体粒子的尺寸和均匀性的影响。采用正丁醇作为助表面活性剂，我们在65-185纳米范围内，实现了对胶体粒子的尺寸的控制。将所制备的尺寸为100纳米左右的胶体粒子用乙醇和去离子水各洗涤三次后，分散在去离子水中，形成了稳定的胶体分散体系。在胶体中加入离子交换树脂Amberlite MB-20进行处理，降低分散介质的离子强度，使得表面包覆二氧化硅的胶体粒子表面净电荷进一步提高。由于表面包覆二氧化硅的胶体粒子表面均携带负电荷，在胶体粒子之间强的静电排斥力的作用下，胶体粒子在介质中形成了有序的阵列，当这个阵列的结构周期与可见光的波长相近的时候，对可见光产生强的衍射，我们获得了具有可见光范围光子带隙的光子晶体。我们还尝试了在石英玻璃衬底上胶体粒子的组装，结果发现，在没有外加磁场作用的条件下，胶体粒子的堆积结构主要是六方密堆积。在外加磁场作用下，胶体粒子沿着磁场方向形成了有序的一维结构。我们还对纳米氧化铁和核-壳结构的胶体粒子的磁学性能进行了研究。