《单分散SiO-，2-微球及蛋白石结构光子晶体的制备》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单分散SiO-，2-微球及蛋白石结构光子晶体的制备（71页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、申请学位级别：硕士学科专业名称：材料加工工程论文提交日期：2 0 0 9 年6 月学位授予日期：评阅人：商张弯f 囱霞学科类别：工学论文答辩日期：2 0 0 9 年7 月答辩委员会主席：疡通最东北大学2 0 0 9 年6 月AT h e s i si nM a t e r i a l sF o r m i n gE n g i n e e r i n gP r e p a r a t i o no fM o n o d i s p e r s e dS i l i c o nD i o x i d eM i c r o s p h e r e sa n dO p a lS t r u c t
2、u r eP h o t o n i cC r y s t a l sb yZ h u Y u nS u p e r v i s o r ：P r o f e s s o rY uF u x i a oP r o f e s s o rS u nX u d o n gN o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t yJ u n e2 0 0 9独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的
3、任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：爿专日期：一。7 一学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年口一年口一年半口两年口导师签名：签字日期：脊“名孔獬者作：文期沦日位字学签东北大学硕士学位论文摘要摘要光子晶体( p h o t o n i ec r y s t a l ) 的概念是E Y a b l o n o
4、v i t c h 和S J o h n 在1 9 8 7 年同时分别提出来的。光子晶体是一种介电常数周期性变化排布的材料，而介电常数的周期性变化能够调制材料中光子的状态模式。正如普通意义上的半导体晶体具有电子能带和能隙一样，光子晶体也具有光子能带及能隙。当光的频率位于光子能隙范围内，它将不能在光子晶体中传播。由于其在自发辐射和光的空间传播调控等方而的广阔应用前景，使得光子晶体成为目前世界范围的一个研究热点。而单分散二氧化硅微球作为一种光子晶体用结构基元，其制备工艺对光子晶体的组装尤为关键。本文采用s 0 1 g e l 技术研究了光子晶体用亚微米S i 0 2 微球的制备方法。发现了体系组成
5、、p H 值及T E O S 浓度等工艺条件敏感而交互地影响S i 0 2 微球形成及其形态、尺寸、分布与单分散性，而传统的S t 6 b e r 法制备S i 0 2 难于制各出符合光子晶体综合要求的微球。进而研究和建立了一种通过控制S i 0 2 种子“数密度”和分步添加T E O S 以有效控制其浓度、改变生长环境的亚微米S i 0 2 微球制备新工艺，成功制备了兼具有高圆度、单分散、窄粒径分布( 2 8 3 ) ，然后把f c e 结构的光子晶体模板去除掉，这种由空气和适当填充材料制备而成的具反蛋白石结构的光子晶体就可能出现完全光子禁带。1 8 2 本文的工作研究了光子晶体的基本理论和
6、研究现状；研究了光子晶体用的S i 0 2 微球的制备与控制技术，改进了S t 6 b e r 法，采用了控制数密度和采用多次投料的方法得到单分散S i 0 2 微球；制备S i 0 2 微球过程中研究了S i 0 2 微球的生长机制，证明采用多步投料法使得单分散性变好的理论依据。系统研究面心立方光子晶体的自组装排列，掌握面心立方光子晶体的自组装技术。2 1东北大学硕士学位论文第二章两步生长法制备S i 0 2 微球及其生长机制研究第二章两步生长法制备Si 0 2 微球及其生长机 制研究2 1 引言自从19 6 8 年，W S t 6 b e r 和A F i n k 继GK l o b e
7、之后系统地研究了酯醇水碱体系中各组分的浓度对S i 0 2 胶球的合成速度、颗粒大小及分布的影响，制得了粒径为0 0 5 2 p m 的S i 0 2 微球【6 9 】。此后，研究者们对S t 6 b e r 法制备S i 0 2 微球的成核和长大机理进行了研究，并对S t 6 b e r 法进行了改进。M a t s o u k a sa n dG u l a r i 通过光散射测定颗粒的散射强度确定S i 0 2 微球的质量，发现其随时间变化的规律，通过拉曼光谱来测定乙氧基键( O C H 2 C H 3 ) 和自由乙醇键的强度，结果发现T E O S水解是时问的函数，并建立了单体加成模型
8、来解释S i 0 2 微球的形核与长大【7 0 ，7 1 】。而Z u k o s k i 和他的合作者们通过用透射电镜对S i 0 2 微球进行观察建立了亚颗粒间的团聚模型来解释其形核与生长【_ 7 2 】。陈胜利等人指出在用种子法控制S i 0 2 球生长的条件下，两种颗粒的形成和生长模型都可能存在，利用种子生长法有利于得到大颗粒的单分散S i 0 2 微球【7 3 ，7 4 】。K iD OK i m 和H e eT a l kK i m 通过连续和半连续投料方式得到了制备小至平均粒径为2 3 n m 粒径均一的S i 0 2 微球【7 ”。由于单分散S i 0 2 微球形状单一、尺寸可
9、控，其在粒度标准物质、光子晶体、有序大孔材料、大孔催化剂和质子膜复合材料的合成等方面都具有广泛应用。2 2 实验2 2 1 实验材料主要实验药品名称、纯度及生产厂家如表2 1 所示。表2 1 实验药品明细表T a b l e2 1T h ed e t a i l so fe x p e r i m e n t a lc h e m i c a l s2 3东北大学硕士学位论文第二章两步生长法制备s i 0 2 微球及其生长机制研究2 2 2 实验设备及仪器主要实验设备的名称、型号及生产厂家如表2 2 所示。表2 2 实验设备及仪器明细表T a b l e2 2T h ed e t a i l
10、so fe x p e r i m e n t a le q u i p m e n t sa n di n s t r u m e n t s2 2 3 实验过程以一定量浓氨水和去离子水、无水乙醇的混合液为A 1 液，以一定量浓氨水( 2 5 w t ) 、去离子水、无水乙醇和S i 0 2 种子为A 2 液，以一定量正硅酸乙酯和无水乙醇的混合液为B 液，在2 5 4 0 。C 恒温条件下将B 液以快速投料的方式加入到A 1 液中充分搅拌生长成种子，再将J 下硅酸乙脂和乙醇的混合液以控制滴定速度的二次投料的方式加入到A 2 液中充分搅拌，得到S i 0 2 溶胶，搅拌陈化两小时后，离心分离出
11、S i 0 2 微球。2 3 结果与讨论S i 0 2 微球的红外光谱表明正硅酸乙酯在以浓氨水为催化剂条件下水解、缩聚完全，得到S i 0 2 微球的大小与各组分的浓度、P H 值、温度和滴定方式有很大的关系。通过对以上因素的控制，得到了5 0 n m 1 “m 的单分散S i 0 2 微球。2 3 1N H 4 + 浓度、P H 值和T E O S 量对单分散S i 0 2 微球尺寸的影响N H 4 + 浓度、P H 值和T E O S 量对单分散S i 0 2 微球尺寸的影响如图2 1 、图2 2和图2 3 所示。从图中可以看出，N H 4 + 浓度的增加会使S i 0 2 微球尺寸增加；
12、同时，在9 1 2 的P H 值范围内易于得到单分散的S i 0 2 微球，并且随着P H 值的增加，S i 0 2微球大小也有增加；随着T E O S 量的增加，S i 0 2 微球大小有所增加。2 4东北大学硕士学位论文第二章两步生长法制备S i 0 2 微球及其生长机制研究0 3 60 3 20 2 80 2 40 2 00 1 60 3 20 2 80 2 40 2 0 N H 4 * T E O S 图2 1N H 4 + 浓度对S i 0 2 尺寸的影响(n一。oIs芎9zIso c - L一3一。oIs：looNISc_L东北大学硕士学位论文第二章两步生长法制备S i 0 2 微
13、球及其生长机制研究IE O $ ( m o l 1 )图2 3T E O S 量对S i 0 2 尺寸的影响F i g 2 3A m o u n to fT E O Se f f e c to nt h es i z eo fS i 0 2p a r t i c l e s2 3 2 快速投料和两步法生长制备的S i 0 2 微球的红外光谱分析图2 4 为一次投料和两步生长法制备的S i 0 2 微球经干燥处理后的红外光谱图。从图中可以看出，用两种方式制备的S i 0 2 微球表面都未发现与O C H 2 C H 3 基团相关的吸收峰，这说明正硅酸乙脂的水解是完全的。3 4 2 3 c m o
14、 和1 6 2 0 c m o 处分别为H O H 的伸缩振动和弯曲振动峰，这说明S i 0 2 微球表面吸附有大量的水分子；1 0 9 8 c m 。和4 5 1 c m 。1 处分别为S i o S i 基团的伸缩、弯曲振动峰，S i O S i 基团键角具有转动性，这也是S i 0 2 微球圆度好的原因之一；9 5 1 c m J 和8 3 0 c m J 处分别为S i O H 基团的伸缩、弯曲振动峰，这说明S i 0 2 微球表面有大量的羟基。2 63一。oIs-oo N l so c 卜东北大学硕士学位论文第二章两步生长法制备S i 0 2 微球及其生长机制研究w a v e n
15、u m b e r ( c m 。1 )图2 4 二氧化硅微球的红外光谱图F i g 2 4F T - I Rs p e c t r ao ft h eS i 0 2s p h e r e s2 3 3 二步生长法制备S i 0 2 微球实验结果表明通过快速投料我们只能得到O 0 5 0 5 1 a m 的单分散S i 0 2 微球。这是由于快速投料造成S i 0 2 微球的爆发形核率极高，溶液中S i 0 2 浓度迅速降低至临界形核浓度之下，从而无法获得大尺寸单分散的S i 0 2 微球。图2 5 为快速投料法所制的平均粒径为1 3 2 n m 的S i 0 2 微球。以圆度好的平均粒径为8
16、 0 n m 的S i 0 2 微球为种子( 其形貌如图2 6 所示) ，采用二步生长法则可获得大尺寸( d 0 ，粒径分布变宽；当r 1 2 时，d ( A r ) d t 0 ，粒径分布变窄，其中Kn 为扩散系数，r “为颗粒半径，为临界形核半径。厂是随溶液的过饱和度变化的，过饱和程度越高则其越小，过饱和程度越低则其临界半径越大。在本实验中，如表2 3 所示：滴定速率低，则粒径分布变化不大，甚至变宽；滴定速率提高，则粒径分布明显变窄，达到了o h毒hh图3 5 悬浮液层粒子二二维自组装：( a ) 厚液层中粒子的无序运动；( b ) 当粒子表面露出液面时，毛细管力会促使粒子自组装。F i g 3 5T w o - d i m e n s i o n a lo r d e r i n go fs u s p e n s i o np a r t i c l e s
