由具有一维光子晶体性质的纳米颗粒薄层形成的多层结构、其生产方法及其应用技术

本发明专利技术的主题是一种多层纳米颗粒中孔结构，其在接近电磁波谱的紫外、可见和红外范围内具有布拉格反射器或一维光子晶体的性质。该一维光子晶体通过由纳米颗粒构成的具有不同折射率和可控尺寸的薄层形成，这些纳米颗粒可以采用简单且可靠的方法沉积在不同类型的衬底上。具有不同折射率的薄层的周期性交替导致可以容易地用肉眼观察并且可以用分光光度计测量的高反射系数。与其他的致密反射结构相反，这种反射器的中孔结构允许液体穿过。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】第l/26页由具有一维光子晶体性质的纳米颗粒 薄层形成的多层结构、其生产方法及其应用
技术介绍
具有多层结构的材料作为光学元件具有重要的应用，因为它们用作干扰滤光器或布拉格反射器(或布拉才各反射镜，Bragg reflectors ),能够选择性地反射或传输一定范围的电磁频率，其通常 在波谱的紫外和红外范围之间，这由层的厚度和折射率决定。使用 更iEiM戈的术i吾，这些才才冲牛是一维光子晶体(unidimensional photonic crystals ),因为它们在三个空间方向之一具有4斤射率的周期性调节 (periodic modulation )。目前在市场上可获4寻的多层体系(多层系统，multilayer systems )主要使用通常归类为术语"物理气相沉积"的技术来生产。 在所有情况下，沉积都在真空条件下发生，并且固体直4妻由气相冷 凝。除了高机械阻力外，通过这种类型的技术获得的光学涂层相对 于环境条件的变化具有很大的稳定性。存在另 一 大类基于溶胶-凝胶 型方法的多层形成方法。这些方法允i午开发多层纟余层，其7十于由强 烈的激光辐射产生的损坏是高度耐受的，比其他类型的结构具有显 著更高的损坏阈值(damage threshold )。然而，这些多层涂层具有 较低的机械稳定性，并且它们的特性根据环境条件而变化，这两种 现象都与它们的中孔隙率(mesoporosity )有关，由于其中孔隙率， 即使它们在其他领域中具有应用，诸如传感器领域中，但它们并不 适于作为无源光学元件。通常，通过溶胶-凝胶生长的层的孔的形状 是不^见则的，具有4艮宽的尺寸分布和在2 nm~ 100 nm之间的平均6尺寸。具有可控中孔结构(形状和尺寸)的多层结构(其光学性能能。具有相对可控的中孔隙率并引起非常大兴趣的材料，尽管目前 还没有给出对于其的应用，^旦是最近已^皮开发。它们是借助于电化 学溶解获得的多孔> 圭多层结构。最近，已经开发了多层结构，其中 各层都具有精细可控尺寸的有序中孔隙率，所用的材料是二氧化硅和二氧化钬。该工作是在2006年提交的西班牙专利的目的(申请 号200602405 )。最后，在与其具有密切关系的牙牛学文献中还有本 文中提出的本专利技术的参考。其与制造胶体二氧化石圭和二氧化钛颗粒 多层有关，正如I.M. Thomas在1987年实施的反射或抗反射涂层。 虽然所描述的方法类似于本文中提出的方法，但是所获得的材料几 乎没有任何特征，由此，很难知道此时获得的结构类型。本文中才是出的本专利技术与这四组材冲牛紧密相关，由此，下面对它 们进行更详细地描述。通过溶胶-^m获得的多层材料，交替致密的Ti02和Si02层晶片尺寸。如果我们需要在较大尺寸的面积(或区域)上沉积薄层， 则〉容月交-;疑月交寺支术提供显著的优点它是一种简单的允许各种材料(氧化物、半 导体、压电体、铁电体等)以薄膜的形式沉积在不同衬底(聚合物、 陶瓷、金属等)上的方法。可以沉积的各种材料允许以光子带隙器 件或光子晶体的形式设计溶胶-凝胶结构。1D布拉格反射器或BR是由于溶胶-凝胶而实现更大发展的光 子晶体。由于布拉才各反射现象在这些材4+中获得了非常高的反射 率。通常，它们通过使具有高和低折射率的材料层交替，形成介电多层的堆叠体(stack)而产生。通过溶胶-凝胶合成的BR可以通过 旋涂或浸涂获得。所用材料的折射率值和层数之间的差异 是最重要的BR参数。随着层数n之间的差异增加以及层凌t增加， 光子带隙或PBG，通过介电4竟面(dielectric mirror )反射的,人UV 至NIR的禁止波长范围的反射率变大。通常，由于Si02、 Ti02和 Zr02的折射率(分別为1.45-1.52、 2.07-2.55、 2.1-2.2)之间的显著 差异，Si02、 Ti02和Zr02被使用。采用这种类型合成的问题在于这 样的事实，即，随着层凄t的增加，在材泮牛中产生可以损坏该多层结 构完整性的分裂(或裂缝，fissure)的风险也增加。为了解决该问 题，Almeida等和Rabaste等在非常高的温度下采用非常短的热致密化处理(分别是 在1000°C下90秒和在900。C下2秒)，乂人而获得高达60层的堆叠 体，其厚度在80nm~ 100nm之间的范围内，反射率大于99%(垂 直入射)。热致密化处理在每层合成之后进行，并且在Y吏用这样的 高温时，不可能避免第一层的Ti02的结晶，由于第一层经历反复的 热处理而使其经受更长时间的高温。必须小心控制晶体生长，因为 在引入瑞利分散(Rayleigh dispersion)时且由于与Si02层的界面产 生粗糙度，其会使多层的光学质量劣化。另外，第一层经历的致密 化程度不同于最后层，最后层经受较短时间的高温；这种非均匀致 密化还在改变光学厚度时使多层光学质量降低。。通过电化学溶解获得的多孑Ufe (pSi)多层，交替不同孔隙率的层生产具有不同孔隙率的多孔硅(pSi)多层的堆叠体的可能性允 许生产具有预定折射率分布的结构，这导致形成多层干扰滤光器或 BR。每一层的折射率4艮据其孔隙率进行i殳计，其通过在氪氟酸的乙 醇溶液中电化学蚀刻单晶硅晶片而获得。除了孔隙率之外，通过调 节合成条件如S交浓度、电流密度和蚀刻时间还可以控制厚度，并且 因此可以控制光学性能。。pSi膜由于其高比表面(200m2/cm3)而令人感兴趣，其可以用 于收集和浓缩分子物质(molecular species),并且当它们与气体和 流体相互作用时它们的光学和电学性能经历相当大的变化。多孔硅 体系的其他优点在于它们的表面可以通过特定或非特定识别元件 #皮叶匕学改寸生。前述特性使这些材料成为化学传感器和生物化学传感器的4尤异4夷选4勿。可以获得大量的层，而没有通过溶月交-凝胶获得的以BR形式的 多层膜的结构完整性问题，并且每层的厚度和孔隙率可以以非常精 确的方式进行控制。这些材料的主要问题是它们长期改变的稳定 性。pSi BR在空气或含水介质中的应用在^f又仅几个小时内会在表面上产生氧化物，由此，必须对它们进4亍化学改性以增加它们的耐氧 化性。具有有序中孑L (或介孔，mesopores )的多层薄层该类型的多层通过采用旋涂(S.Y. Choi, M. Mamak， G. von Freymann， N. Chopra ， G.A. Ozin, A/esoporows 5ragg 5VacA: Co/or T"waZ)/e S隱譜，Nano Letters 6 (2006) 2456)或浸涂技术(M.C. Fuertes， G. Soler-lllia， H. Mi'guez，西班牙专利，申i會号为200602405) 交替沉积具有有序中孔的薄层而制造，这些有序中孔使用模板或有 机模具(mould)(其与在沉积形成每层的前体溶液中产生无机相的 化合物结合)而获得。这些层的孔隙率允许通过液体渗透而改变它 们的光学响应。使中孔壁功能化的可能性又使得该响应对于特定类 型或特定组的化合物是选一奪性的。!^体颗丰立的多层在科技文献中存在对其中声称已经实现交替月交体 Ti02颗并立的多层的i仑文的参考，其中尺寸在10 nm~20 本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有布拉格反射器或一维光子晶体的性质的中孔多层结构，其特征在于，其包括由具有不同折射率的纳米颗粒构成的周期性交替的薄层，每一个所述薄层的厚度为在１ｎｍ至２００ｎｍ之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：西尔维娅科洛德雷罗佩雷斯，曼努埃尔奥卡尼亚胡拉多，埃尔南鲁伊米格斯加西亚，
申请(专利权)人：西班牙高等科研理事会，
类型：发明
国别省市：ES[西班牙]