深圳先進院成功製備出高質量硫化鋅光子晶體

2021-02-25 中科院深圳先進院

近日，中國科學院深圳先進技術研究院李佳副研究員課題組在光子晶體領域取得新進展，成功製備出高質量硫化鋅光子晶體，不僅獲得近100%的高反射率，而且飽和度、對比度、亮度等結構色彩性能都得到了顯著提升。相關成果Vivid Structural Colors from Long-Range Ordered and Carbon-Integrated Colloidal Photonic Crystals發表於光學領域權威期刊Optics Express。論文第一作者是王欣博士，通訊作者是李佳副研究員。

 

△自組裝ZnS@SiO2膠體光子晶體，通過控制粒徑的大小實現不同色彩的高亮度顯示

膠體光子晶體是指由單分散的微米或納米尺寸的膠體顆粒構成的有序周期性結構。近些年來，膠體光子晶體在光學顯示以及生物化學傳感器等方面展現出廣泛用途。儘管基於膠體光子晶體的結構色彩研究已經取得了一些優異成果，但目前所採用的膠體顆粒材料的折射率較低，導致其在顯示亮度、對比度以及可見性等方面仍面臨眾多問題，需得到較大改善與提升。因此，採用高折射率材料來製備光子晶體，實現較寬的光子帶隙，成為獲得高質量膠體光子晶體的研究重點與難點。另一方面，已有報導證明將黑色吸光材料加入光子晶體可以吸收散射光並顯著增強光子晶體結構顏色。目前，將黑色材料結合到膠體光子晶體中的常用方法主要採用物理混合法，然而這種方法容易導致黑色材料的團聚以及在光子晶體內的不均勻分布。因此，有必要開發一種簡單有效的方法將黑色材料均勻地混入光子晶體中，而且對光子晶體長程有序周期性結構排列不造成影響。 

在本項工作中，針對以上的研究目標，科研人員成功製備了尺寸可調40-200nm均勻硫化鋅納米顆粒，並通過二氧化矽包覆保護煅燒和部分刻蝕的方法進一步對材料的分散度、表面電荷以及結晶度進行調節。與此同時，材料合成中添加的有機結構引導劑在煅燒後即可原位產生可有效吸收散射光的碳基材料並均勻分布在膠體顆粒內。經自組裝後即得到長程有序、結構性顏色顯著增強的周期性排列結構。所得到自組裝膠體光子晶體的最大反射率可達98%，其反射光譜也可通過顆粒尺寸進行靈活調節。本項工作為獲得高質量光子晶體提供了新的設計思路和方法，有效提高膠體光子晶體的質量，有利於推動光子晶體技術的廣泛應用。 

本研究得到了廣東省科技計劃項目、深圳市科技計劃項目等項目的資助。

文/醫藥所生物材料中心 王欣

編輯/毛毛

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