化學所在新型結構三維光子晶體研究方面取得新進展

氧等離子刻蝕改變膠體光子晶體晶格示意圖

光子晶體因其對光的調控作用顯現出巨大的研究價值。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構，具有操作過程簡單、成本低、可大規模製備等優點，成為光子晶體走向應用的重要製備途徑。然而，通常的球形膠體顆粒緊密堆積後因能量有利而得到面心立方緊密堆積結構（FCC），理論計算表明，這種結構的對稱性導致無法實現完全光子帶隙。由此結構翻轉而成的反蛋白石結構則要求光子晶體中兩種介電材料的折光率比不低於2.8時才有可能實現完全光子帶隙，這也為在可見光區域挑選合適的光子晶體材料設置了難以突破的障礙。

在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的支持下，化學研究所光化學院重點實驗室的科研人員從2008年開始開展新型對稱性結構三維光子晶體的研究。他們製備了單分散的磁性橢球形膠體顆粒，利用外加磁場導向，得到橢球長軸平行於基底的橢球形結構基元三維光子晶體，獲得第一例可見光區域內由非球形膠體顆粒直接組裝而成的非球形結構基元三維光子晶體，並成功表徵了其光子帶隙（Adv. Mater. 2009, 21, 1936-1940）。在此基礎上，他們又進一步製備了取向可控的橢球形結構基元三維光子晶體（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構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的面心立方結構三維光子晶體，利用氧等離子刻蝕，緩慢剝去外層的聚合物殼，無法被刻蝕的二氧化矽內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遠快於內部刻蝕速度的特性，使得刻蝕可以逐層進行。在光子晶體晶面間縱向間距縮小的同時，同一晶面內微球的水平位置由於上下層微球的限制作用而固定，同時也使得整個膠體光子晶體的有序性得以保持，但晶格結構由於晶面間距的縮小而發生改變。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、簡單立方晶格和體心立方晶格，這些新型結構有利於三維光子晶體中光子帶隙的拓寬。

相關研究結果發表於J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 17340-17342上。文章發表後即被Nature China的Research Highlights欄目評述報導(http://www.nature.com/nchina/2011/110105/full/nchina.2011.143.html)。