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掃描電鏡在光子晶體研究方面的應(yīng)用

 更新時(shí)間:2019-04-25 點(diǎn)擊量:2847

什么是光子晶體

 

光子晶體(photonic crystal)的概念起源于 1987 年,由科學(xué)家 S.John 和 E.Yablonovitch 提出并定義。

 

光子晶體是一種由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而形成的人工微結(jié)構(gòu)。介電系數(shù)在空間上的周期性變化伴隨著空間折射率的周期性變化,當(dāng)介電系數(shù)的變化足夠大且其變化周期與光波長同步時(shí),光波會(huì)產(chǎn)生帶狀結(jié)構(gòu),即光子能帶結(jié)構(gòu)(photonic band structures)。

 

頻率落在光子能帶中的電磁波或光是禁止傳播的,于是這些頻率的光會(huì)被反射出來,成為人們觀察到的顏色。被禁止的頻率區(qū)間就被稱為光子頻率帶隙(photonic band gap),也叫光禁帶,人工合成的具有光禁帶的物質(zhì)被稱為光子晶體,它的顏色通常被稱為光子晶體的結(jié)構(gòu)色(structure color)。

 

制備光子晶體

 

制備光子晶體的方法眾多,在常溫常壓下促使單分散的膠體顆粒(尺寸為亞微米或微米)自組裝是其中一種。

 

通過讓單分散的膠體顆粒,例如 SiO2, TiO2, Fe3O4, CeO2, ZnO, PS 等微球自組裝排列成有序陣列來實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)的周期性變化是一個(gè)研究熱點(diǎn)。由此得到的膠體晶體的光子特性由晶體的對(duì)稱性,晶格常數(shù)及膠體顆粒與周圍介質(zhì)折射率的差異決定。

 

通常,合成的膠體顆粒直徑在 100nm 到 1μm 之間時(shí),制得的膠體晶體的光禁帶正好處于可見光區(qū),會(huì)呈現(xiàn)出美麗的結(jié)構(gòu)色。

 

掃描電鏡下的光子晶體

 

首先是光子晶體原材料的表征。對(duì)于需要組裝的光子晶體,原材料尺寸均勻度,不同尺寸的微球在相同條件下組裝,都會(huì)顯示出不同的結(jié)構(gòu)色。

 

通過掃描電鏡快速篩樣,和飛納電鏡自主開發(fā)的顆粒統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)可以快速統(tǒng)計(jì)出原材料的尺寸,對(duì)微球的組裝具有指導(dǎo)意義。

 

圖1. 不同前驅(qū)體合成微球的 SEM 圖像 [1]

 

圖2. 不同顏色的光子晶體膜對(duì)應(yīng)截面微球的 SEM 圖(宏觀依次表現(xiàn)為紅、綠、藍(lán))[2]

 

圖3. 飛納電鏡顆粒統(tǒng)計(jì)分析測量系統(tǒng)

 

其次,對(duì)于光子晶體,其微觀結(jié)構(gòu)決定其宏觀狀態(tài),組裝過程中,能夠有序組裝形成結(jié)晶區(qū)。

 

在光學(xué)顯微鏡下,結(jié)晶區(qū)呈較亮狀態(tài),而非晶區(qū)較暗。由于光學(xué)顯微鏡與電子顯微鏡放大倍數(shù)相差較大,所以,想獲得其微觀形貌,傳統(tǒng)方法需要通過大量的 SEM 圖,手動(dòng)拼接來對(duì)應(yīng)光學(xué)顯微鏡圖像。然而,飛納電鏡開發(fā)的自動(dòng)全景拼圖系統(tǒng)能夠快速解決這一難題。

 

 

圖4. SEM 用于表征光子晶體組裝狀態(tài)
區(qū)分非晶,晶體部分 [3]

 

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圖5. 飛納電鏡自動(dòng)全景拼圖系統(tǒng)

 

掃描電子顯微鏡是光子晶體研究中*的分析儀器,主要用于:原材料的篩選(顆粒尺寸范圍,顆粒尺寸統(tǒng)計(jì),快速篩樣)和組裝過程分析(全景拼圖)。飛納臺(tái)式電鏡操作簡單,能夠快速獲得高質(zhì)量的圖像,多樣化可拓展應(yīng)用可以滿足大部分客戶的需求。

 

參考文獻(xiàn)

[1] A dual-channel optical magnetometer based on magnetically responsive inverse opal microspheres. Zhang etal., J. Mater, Chem. C, 2017, 5, 9288.

[2] Old relief printing applied to the current preparation of multi-color and high resolution colloidal photonic crystal patterns. Yang etal., Chem. Commun. 2015, 51, 16972-16975.

[3] Photonic sensing of organic solvents through geometric study of dynamic reflection spectrum. Zhang etal., Nat. Commun. 2015, 6, 7510.

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