本文旨在制备和研究电介质、金属基光学和近红外波段光子晶体的组成基元和性质,以期发展一类新型的具有光学和近红外波段完全光子带隙的金属基光子晶体。论文系统总结、评述了光子晶体理论及其制备的研究进展和热点方向、面临的主要问题及其解决思路、以及光子晶体的应用和发展前景。应用透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、紫外可见光谱(UV-Vis)、红外光谱(IR)、X射线光电子能谱(XPS)、孔径和比表面分析(BET)、X射线能谱(EDS)等综合实验手段,研究了亚微米SiO2微球、银包覆SiO2微球(SiO2@Ag)、表面SiO2介质膜的银包覆SiO2微球(SiO2@Ag@SiO2) 等光子晶体基元的制备方法及工艺,制备了能满足光子晶体要求的高圆度、单分散、窄分布、粒径可控的组成基元,利用沉降、提拉、挤压等自组装技术制备了高质量光子晶体,探索研究了其光谱学性质和带隙特点,取得了一系列重要结论和创新性成果,为光学近红外波段完全光子带隙的实现打下了坚实的基础。采用sol-gel技术研究了光子晶体用亚微米SiO2微球的制备方法。发现了体系组成、pH值及TEOS浓度等工艺条件敏感而交互地影响SiO2微球形成及其形态、尺寸、分布与单分散性,难于制备符合光子晶体综合要求的SiO2微球。研究和建立了一种通过控制SiO2种子“数密度”和分步添加TEOS以有效控制其浓度、改变生长环境的亚微米SiO2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(<3%)、尺寸可调、结构致密的亚微米SiO2微球;并采用提拉自组装技术获得厘米尺寸的光子晶体。研究探明了SiO2微球的形成规律及动力学关系,给出了最适宜的sol-gel工艺及热处理条件,确定了SiO2微球粒径(D)与TEOS添加量间关联的定量方程,并与实验结果很好地吻合,实现了在160nm-1um范围内球径的预测和调控;为制备适合于不同波段光子晶体用SiO2微球提供依据和可能,有着重要意义。研究建立了在亚微米SiO2微球表面均匀包覆纳米金属银层的湿化摘要学制备方法。系统研究了si仇微球表面敏化、体系组成与反应条件对表面银沉积反应、银颗粒尺寸、堆垛结构的影响及其对银层的致密、均匀覆盖和光学性质的关联规律;确认纳米银沉积是基于成核一生长机制,对不同反应步骤分别实施有效控制是获得致密均匀覆盖纳米银层的关健和难点。基此研究提出了一种成核一生长分离控制的亚微米微球表面纳米银层制备新方法;成功制备出覆盖度高、均匀致密、介质常数对比大的高质量金属基光子晶体组成基元材料(5102@八g)(已申请国家发明专利,受理号:03141603.9)。 仔细研究了亚微米510:微球表面银的成核一生长过程和动力学规律及其对纳米银层覆盖度、厚度和均匀性的关联及控制技术;给出了纳米银沉积和厚度控制的精确工艺以及银层厚度与银离子的量间的实验拟合方程,实现了表面银层厚度在5一40nm范围内的可控调节。XRD、EDS、XPS和TEM综合表征确认银层为单质纳米银。 基于金属颗粒的等离子共振原理和银的电介质函数特性及其对光散射和吸收的影响,应用仃认巧s和TEM对比研究了siq@叭g核壳结构微球表面不同银颗粒尺寸、间距和聚集状态对等离子吸收行为的影响规律,确认随沉积反应时间的延长,银颗粒间距变小,UV-巧s吸收峰依次红移和展宽,认为siq微球表面银颗粒间偶极子的相互作用是吸收峰位移、展宽的可能机制,建立了UV-巧s吸收峰红移、展宽与siq微球表面银颗粒覆盖度的关联,提出了一种利用UV-巧s光谱评价siq微球表面纳米银颗粒覆盖度的方法。 研究建立了亚微米si仇@叭g微球表面纳米siq膜的湿化学制备技术,研究探明了siq@阵g微球表面化学改性对形成均匀致密的si仇介质膜、抑制5102@嘛g团聚及Ag层溶解脱落的关健作用与原因。提出了一种利用妙s和Pvp复合改性的si仇@叭g微球表面沉积siq介质膜的方法,阐述了复合改性的机理,在5102@阵g微球表面获得了均匀致密、厚度可控的siq膜,成功制备了能满足光子晶体要求的高圆度、单分散、窄粒径分布的5102@阵g(剪5102金属光子晶体制备基元(已申请国家发明专利,受理号:0314l6()2.0),为利用自组装技术制备金属基光子晶体提供了材料基础。 研究得出了siq@叭g微球表面si仇膜的形成规律及动力学关系,给出了表面改性后siq@叭g亚微米球体表面沉积si仇膜的优化工艺参数,确定了膜厚与TEOS加入量的定量关系并实现了18一40nm范围可浙江大学博士学位论文控,为调控金属基光子晶体填充系数、获得带隙宽度可调的完全光子带隙提供了可能。 对比研究了沉降、挤压和提拉自组装技术的工艺特征及其对光子晶体质量的影响。SEM研究表明,三者均可制备面心立方结构的光子晶体,但不同程度存在空位、位错、层错等结构缺陷。提拉法可通过控制溶剂表面张力、蒸发速率等条件改变微球输运、组装和重排过程,改善晶体结构完整性和光子带隙特性。UV-巧s光谱测定确认其带隙处光吸收一100%而背底吸收较小,远优于沉降和挤压组装样品,是制备高质量光子晶体的较理想的工艺技术。 仔细研究了提拉自组装光子晶体的组装机理和过程,提出溶液中球体的排列组装是从基板与液面接触的