异质双尺寸超材料的制备及其性能研究

Metamaterial is a new type of artificial composites having a manmade, periodic cellular architecture designed to produce unusual optical, electrical, magnetic and acoustical properties. In order to solve the limit of materials and structure in self-assembly processes which results in the disability of metamaterials to get full band gap, this project will develop the preparation and properties of a new kind of heterostructure binary metamaterials. Firstly, the gel will be prepared via Pechini sol-gel method. The non-close-packed, hexagonal array and square array SiO2 colloidal crystal templates will be synthesized by vertical deposition method, electrophoresis-assisted self-assembly and etching technique. Then the gel will be filled into the colloidal crystals by dual substrates injection dip-coating method. The gel will be calcined in the limit space via horizontal dual substrates pressure thermal processing. After that the ordered periodic heterostructure binary metamaterials will be obtained via the volume shrinkage of complex and restricting oriented growth of crystals. The preparation of new heterostructure binary metamaterials which can widen the photonic bandgap will be investigated. The method that how to obtain uniform heterostructure binary metamaterials will be researched. The influence law of the arrangement and defect structure on the optical property of heterostructure binary metamaterials will be investigated and discovered. The growth mechanism of heterostructure binary metamaterial will be discussed with the analysis of the crystallization processes and grain growth processes of the filler materials.

超材料是一种人工制造的、具有周期性结构的复合材料，拥有特殊的光、电、磁、声等性能。自组装法制备超材料结构往往受到材料和结构的限制，不能达到完全带隙要求的介电常数比，针对此问题本项目提出一种新型异质双尺寸超材料结构的制备及性能研究。首先采用Pechini溶胶-凝胶法制备凝胶，同时通过垂直沉积法或电泳辅助提拉法，结合刻蚀技术，制备非密堆、四方或六方排列SiO2胶体晶体模板；采用双基片注射提拉工艺将凝胶均匀填充于胶体晶体中，再通过水平双基片压力热处理技术促使凝胶在胶体晶体的有限空隙中进行煅烧，利用络合物的体积收缩和晶体的限制定向生长形成周期性有序异质双尺寸超材料。旨在获得新型异质双尺寸超材料结构，拓宽超材料的光子带隙，系统研究异质双尺寸超材料均匀膜层形成的工艺影响因素，探索异质双尺寸超材料的排列方式及缺陷与性能之间的关系，结合填充材料的结晶过程和晶粒生长过程，探讨异质双尺寸超材料结构的生长机理。

超材料是一种人工制造的、具有周期性结构的复合材料，拥有特殊的光、电、磁、声等性能。采用自组装技术合成超材料往往受到材料和结构的限制，阻碍其推广和应用，针对此问题本项目研究了异质超材料结构的自组装制备、结构及性能。本项目成功合成了SiO2胶体球和聚苯乙烯球，利用NaCl、KCl、LiCl对SiO2胶体球进行表面改性，研究了表面改性剂的种类和浓度对SiO2胶体球形貌和分散程度的影响，制备出粒径分布窄的单分散SiO2胶体球，其粒径为150 nm～600 nm。分别利用垂直沉积法和电泳辅助提拉法制备出SiO2胶体晶体模板，探索了SiO2胶体球表面改性、电压、提拉速度、SiO2胶体球浓度等因素对SiO2胶体晶体模板的影响规律，成功合成出不同紧密程度的四方和六方排列SiO2胶体晶体，研究表明所得四方和六方排列SiO2胶体晶体模板均为面心立方结构，不同之处在于平行于基底表面的排列方式。采用Pechini溶胶-凝胶法合成出不同形貌的纯相氧化铁、氧化钛、钛酸钡、氧化锌和硅酸铋等纳米粉体，研究了各原料和分散剂的浓度、水浴温度和时间、热处理温度制度对粉体晶相和形貌的影响，探索了纳米粉体材料的结晶过程，经过对不同体系的研究，确定适合用于异质超材料制备的异质填充材料为氧化铁、氧化钛、钛酸钡，颗粒粒径为20 nm～100 nm。成功采用SiO2胶体晶体为模板，利用双基片注射技术和双基片热处理工艺制备出多种SiO2-Fe2O3、SiO2-TiO2和SiO2-BaTiO3异质超材料结构，其中包括核壳结构、双尺寸结构、类“海胆状”结构等异质超材料。为了进一步提高异质超材料的均匀性，首次提出结合电泳提拉技术，成功采用一步法合成了SiO2-Fe2O3和SiO2-TiO2异质超材料，使制备周期大大缩短至5 min～10 min。探索了异质超材料的光学性能，并结合模型的理论计算与测定值的对比，分析了异质超材料的实际结构，明确了结构与性能的关系。本项目的研究成果不仅对纳米氧化物粉体的制备提供新工艺，为胶体晶体及异质超材料的快速合成提供了新思路，而且为异质超材料实际结构的分析和性能的探索提供了新思路。