本发明公布了一种胶体光子晶体中可控线缺陷的制备方法，该方法包括如下步骤：分布密度可控地制备TiO
1.胶体光子晶体中可控线缺陷的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：分布密度可控地制备TiO₂纳米棒阵列；将胶体状态的颗粒分散在分散介质中制备分散液；将所述TiO₂纳米棒阵列放入容器中，使得TiO₂纳米棒的朝向为竖直向上；将所述分散液加入到盛有所述TiO₂纳米棒阵列的所述容器中；以及静置所述容器使所述胶体状态的颗粒自由沉降得到具有可控线缺陷的光子晶体。
2.如权利要求1所述的胶体光子晶体中可控线缺陷的制备方法，其特征在于，所述密度可控地制备TiO₂纳米棒阵列进一步包括如下步骤：1)将钛酸四正丁酯、水和乙酰丙酮按摩尔比为1：(1～1.2)：(0.3～0.4)的比例溶于乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮，形成钛浓度为0.1～0.3mol/L，聚乙烯吡咯烷酮浓度为30～60mg/L的TiO₂前驱体溶胶；2)将所述TiO₂前驱体溶胶在5～20℃下，以6000～8000rpm的速度旋涂到基板上，旋涂时间为30～40s，在基板上形成TiO₂前驱体纳米点阵列溶胶膜，然后将基板放入马弗炉中在400～1000℃进行热处理；3)将热处理后的基板放入钛酸盐与酸的混合水溶液中进行水热处理，混合水溶液中钛酸盐的浓度为0.02～0.05mol/L，混合水溶液中酸的浓度为
0.9～3.0mol/L，水热处理温度为80～220℃，水热处理时间为0.5～5h，得到在基板上的TiO₂纳米棒阵列。
3.如权利要求2所述的胶体光子晶体中可控线缺陷的制备方法，其特征在于，所述钛酸盐为钛酸四正丁酯。
4.如权利要求2所述的胶体光子晶体中可控线缺陷的制备方法，其特征在于，所述酸为盐酸、硝酸、硫酸、油酸或醋酸。
5.如权利要求2所述的胶体光子晶体中可控线缺陷的制备方法，其特征在于，所述基板的材质包括FTO导电玻璃、ITO、石英、硅或金属。
6.如权利要求1所述的胶体光子晶体中可控线缺陷的制备方法，其特征在于，所述胶体状态的颗粒包括SiO₂、ZrO₂、TiO₂、聚苯乙烯、SiO₂/Fe₃O₄、聚苯乙烯/Fe₃O₄、聚甲基丙烯酸甲酯/Fe₃O₄和聚甲基丙烯酸缩水甘油酯/Fe₃O₄晶体颗粒中的一种或多种。
7.如权利要求1所述的胶体光子晶体中可控线缺陷的制备方法，其特征在于，所述胶体状态的颗粒的粒径为0.1～1μm。
8.如权利要求1所述的胶体光子晶体中可控线缺陷的制备方法，其特征在于，所述分散介质包括蒸馏水或乙醇与水的任意比例混合溶液，所述分散液中颗粒的质量百分比浓度为0.5～1.5％。
9.如权利要求1所述的胶体光子晶体中可控线缺陷的制备方法，其特征在于，所述TiO₂纳米棒的直径为所述颗粒粒径的0.2～1倍。
10.如权利要求1所述的胶体光子晶体中可控线缺陷的制备方法，其特征在于，静置所述容器的时间为1～2周。技术领域
本发明涉及光子晶体的组装技术领域，特别涉及一种胶体光子晶体中可控线缺陷的制备方法。
背景技术
光子晶体是指具有光子带隙(PBG)特性的人造周期性电介质结构。所谓光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。通过将特定的缺陷引进晶体的带隙结构中，可以控制晶体内部的光子流和制造各种微米级光学器件。光子晶体具有很多独特的性能，因而被广泛用于光学、电信、计算机、化工生产、药物研制和生物科技等领域，例如可用作无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高发光二极管的效率等。现有技术中制备具有线缺陷的光子晶体主要采用真空镀膜、激光刻蚀、电子束刻蚀、反应离子束刻蚀、逐层刻蚀和外延生长等方法。由于工艺复杂，设备昂贵，上述方法制备具有线缺陷的光子晶体的成本非常高，不利于广泛应用和推广。目前，非常需要一种工艺简单且成本低的胶体光子晶体中可控线缺陷的制备方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种胶体光子晶体中可控线缺陷的制备方法。本发明提供的胶体光子晶体中可控线缺陷的制备方法包括如下步骤：分布密度可控地制备TiO₂纳米棒阵列；将胶体状态的颗粒分散在分散介质中制备分散液；将所述TiO₂纳米棒阵列放入容器中，使得TiO₂纳米棒的朝向为竖直向上；将所述分散液加入到盛有所述TiO₂纳米棒阵列的所述容器中；以及静置所述容器使所述胶体状态的颗粒自由沉降得到具有可控线缺陷的光子晶体。优选地，所述密度可控地制备TiO₂纳米棒阵列进一步包括如下步骤：1)将钛酸四正丁酯、水和乙酰丙酮按摩尔比为1∶(1～1.2)∶(0.3～0.4)的比例溶于乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮，形成钛浓度为0.1～0.3mol/L，聚乙烯吡咯烷酮浓度为30～60mg/L的TiO₂前驱体溶胶；2)将所述TiO₂前驱体溶胶在5～20℃下，以6000～8000rpm的速度旋涂到基板上，旋涂时间为30～40s，在基板上形成TiO₂前驱体纳米点阵列溶胶膜，然后将基板放入马弗炉中在400～1000℃进行热处理；3)将热处理后的基板放入钛酸盐与酸的混合水溶液中进行水热处理，混合水溶液中钛酸盐的浓度为0.02～0.05mol/L，混合水溶液中酸的浓度为0.9～3.0mol/L，水热处理温度为80～220℃，水热处理时间为0.5～5h，得到在基板上的TiO₂纳米棒阵列。优选地，所述钛酸盐为三氯化钛、四氯化钛、硫酸钛、氟化钛或钛酸四正丁酯。优选地，所述酸为盐酸、硝酸、硫酸、油酸或醋酸。优选地，所述基板的材质包括FTO导电玻璃、ITO、石英、硅或金属。优选地，所述晶体颗粒包括SiO₂、ZrO₂、TiO₂、PSt、SiO₂/Fe₃O₄、聚苯乙烯(PSt)/Fe₃O₄、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/Fe₃O₄和聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PGMA)/Fe₃O₄晶体颗粒中的一种或多种。优选地，所述颗粒的粒径为0.1～1.0μm。优选地，所述分散介质包括蒸馏水或乙醇与水的任意比例混合溶液，所述分散液中颗粒的质量百分比浓度为0.5～1.5％。优选地，所述TiO₂纳米棒的直径为所述颗粒粒径的0.2～1倍。优选地，静置所述容器的时间为1～2周。本发明具有如下有益效果：所述方法能够制备具有线缺陷的光子晶体，且线缺陷的分布密度可控。通过调节TiO₂纳米棒阵列中TiO₂纳米棒的分布密度即可控制光子晶体中线缺陷的分布密度。所述方法制备工艺简单，效率高，成本低。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的发明内容作进一步的描述。实施例1以聚苯乙烯(PSt)胶体光子晶体中可控线缺陷的制备方法为例说明本发明的制备方法。在本实施例中，PSt胶体光子晶体中可控线缺陷的制备方法包括如下步骤：分布密度可控地制备TiO₂纳米棒阵列；将胶体状态的PSt颗粒分散在分散介质中制备含有PSt颗粒的分散液；将所述TiO₂纳米棒阵列放入容器中，使得TiO₂纳米棒的朝向为竖直向上；将所述含有PSt颗粒的分散液加入到盛有所述TiO₂纳米棒阵列的所述容器中；以及静置所述容器使所述胶体状态的PSt颗粒自由沉降得到具有可控线缺陷的PSt光子晶体。所述密度可控地制备TiO₂纳米棒阵列进一步包括如下步骤：1)将钛酸四正丁酯、水和乙酰丙酮按例如摩尔比为1∶1.2∶0.35的比例溶于乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮，形成钛浓度例如为0.3mol/L，聚乙烯吡咯烷酮浓度例如为60mg/L的TiO₂前驱体溶胶；2)将所述TiO₂前驱体溶胶在例如10℃下，以例如7000rpm的速度旋涂到例如FTO导电玻璃基板上，旋涂时间为例如40s，在所述FTO导电玻璃基板上形成TiO₂前驱体纳米点阵列溶胶膜，然后将所述FTO导电玻璃基板放入马弗炉中在例如600℃进行热处理；3)将热处理后的FTO导电玻璃基板放入例如钛酸四正丁酯与盐酸的混合水溶液中进行水热处理，混合水溶液中钛酸四正丁酯的浓度为例如0.02mol/L，混合水溶液中盐酸的浓度为例如1.3mol/L，水热处理在例如水热釜中进行，水热处理温度为例如140℃，水热处理时间为例如0.5h，得到在FTO导电玻璃基板上的TiO₂纳米棒阵列。制备的TiO₂纳米棒阵列中，TiO₂纳米棒的直径约为83nm，TiO₂纳米棒的分布密度为3.4*10⁹cm^-2。在本实施例中，TiO₂纳米棒阵列中TiO₂纳米棒的分布密度定义为基板单位面积中TiO₂纳米棒的数目。在本实施例中，PSt颗粒的粒径为例如100nm；分散介质为例如蒸馏水；PSt颗粒的形状为例如球形。采用超声分散使PSt颗粒在蒸馏水中均匀分散。所述分散液中PSt颗粒的质量百分比浓度为例如1.0％。在本实施例中，静置所述容器使胶体状态的PSt颗粒自由沉降的时间为例如2周。制备得到的PSt光子晶体具有线缺陷，其线缺陷的分布密度为3.4*10⁹cm^-2。在本实施例中，光子晶体的线缺陷的分布密度定义为垂直于线缺陷的单位面积内线缺陷的数目。PSt光子晶体中线缺陷的分布密度由TiO₂纳米棒阵列中TiO₂纳米棒的分布密度决定，且PSt光子晶体中线缺陷的分布密度等于TiO₂纳米棒阵列中TiO₂纳米棒的分布密度。实施例2以SiO₂胶体光子晶体中可控线缺陷的制备方法为例说明本发明的制备方法。在本实施例中，SiO₂胶体光子晶体中可控线缺陷的制备方法包括如下步骤：分布密度可控地制备TiO₂纳米棒阵列；将胶体状态的SiO₂颗粒分散在分散介质中制备含有SiO₂颗粒的分散液；将所述TiO₂纳米棒阵列放入容器中，使得TiO₂纳米棒的朝向为竖直向上；将所述含有SiO₂颗粒的分散液加入到盛有所述TiO₂纳米棒阵列的所述容器中；以及静置所述容器使所述胶体状态的SiO₂颗粒自由沉降得到具有可控线缺陷的SiO₂光子晶体。所述分布密度可控地制备TiO₂纳米棒阵列进一步包括如下步骤：1)将钛酸四正丁酯、水和乙酰丙酮按例如摩尔比为1∶1.1∶0.4的比例溶于乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮，形成钛浓度例如为0.2mol/L，聚乙烯吡咯烷酮浓度例如为40mg/L的TiO₂前驱体溶胶；2)将所述TiO₂前驱体溶胶在例如15℃下，以例如6500rpm的速度旋涂到例如ITO(Indiumxa0Tinxa0Oxides)基板上，旋涂时间为例如30s，在所述ITO基板上形成TiO₂前驱体纳米点阵列溶胶膜，然后将所述ITO基板放入马弗炉中在例如400℃进行热处理；3)将热处理后的ITO基板放入例如四氯化钛与硫酸的混合水溶液中进行水热处理，混合水溶液中四氯化钛的浓度为例如0.02mol/L，混合水溶液中硫酸的浓度为例如0.9mol/L，水热处理在例如水热釜中进行，水热处理温度为例如110℃，水热处理时间为例如1.5h，得到在ITO基板上的TiO₂纳米棒阵列。制备的TiO₂纳米棒阵列中，TiO₂纳米棒的直径约为42nm，TiO₂纳米棒的分布密度为3.6*10⁶cm^-2。在本实施例中，TiO₂纳米棒阵列中TiO₂纳米棒的分布密度定义为基板单位面积中TiO₂纳米棒的数目。在本实施例中，SiO₂颗粒的粒径为例如100nm；分散介质为例如蒸馏水；SiO₂颗粒的形状为例如球形。采用超声分散使SiO₂颗粒在蒸馏水中均匀分散。所述分散液中SiO₂颗粒的质量百分比浓度为例如1.5％。在本实施例中，静置所述容器使胶体状态的SiO₂颗粒自由沉降的时间为例如1.5周。制备得到的SiO₂光子晶体具有线缺陷，其线缺陷的分布密度为3.6*10⁶cm^-2。在本实施例中，光子晶体的线缺陷的分布密度定义为垂直于线缺陷的单位面积内线缺陷的数目。SiO₂光子晶体中线缺陷的分布密度由TiO₂纳米棒阵列中TiO₂纳米棒的分布密度决定，且SiO₂光子晶体中线缺陷的分布密度等于TiO₂纳米棒阵列中TiO₂纳米棒的分布密度。实施例3以SiO₂/Fe₃O₄胶体光子晶体中可控线缺陷的制备方法为例说明本发明的制备方法。在本实施例中，SiO₂/Fe₃O₄胶体光子晶体中可控线缺陷的制备方法包括如下步骤：分布密度可控地制备TiO₂纳米棒阵列；将胶体状态的SiO₂/Fe₃O₄复合材料颗粒分散在分散介质中制备含有SiO₂/Fe₃O₄颗粒的分散液；将所述TiO₂纳米棒阵列放入容器中，使得TiO₂纳米棒的朝向为竖直向上；将所述含有SiO₂/Fe₃O₄颗粒的分散液加入到盛有所述TiO₂纳米棒阵列的所述容器中；以及静置所述容器使所述胶体状态的SiO₂/Fe₃O₄颗粒自由沉降得到具有可控线缺陷的SiO₂/Fe₃O₄光子晶体。所述分布密度可控地制备TiO₂纳米棒阵列进一步包括如下步骤：1)将钛酸四正丁酯、水和乙酰丙酮按例如摩尔比为1∶1∶0.35的比例溶于乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮，形成钛浓度例如为0.3mol/L，聚乙烯吡咯烷酮浓度例如为40mg/L的TiO₂前驱体溶胶；2)将所述TiO₂前驱体溶胶在例如5℃下，以例如8000rpm的速度旋涂到例如金属基板上，旋涂时间为例如30s，在所述硅基板上形成TiO₂前驱体纳米点阵列溶胶膜，然后将所述金属基板放入马弗炉中在例如1000℃进行热处理；3)将热处理后的金属基板放入例如三氯化钛与盐酸的混合水溶液中进行水热处理，混合水溶液中三氯化钛的浓度为例如0.05mol/L，混合水溶液中盐酸的浓度为例如3mol/L，水热处理在例如水热釜中进行，水热处理温度为例如220℃，水热处理时间为例如1h，得到在金属基板上的TiO₂纳米棒阵列。制备的TiO₂纳米棒阵列中，TiO₂纳米棒的直径约为200nm，TiO₂纳米棒的分布密度为8.3*10¹³cm^-2。在本实施例中，TiO₂纳米棒阵列中TiO₂纳米棒的分布密度定义为基板单位面积中TiO₂纳米棒的数目。在本实施例中，SiO₂/Fe₃O₄颗粒的粒径为例如1.0μm；分散介质为例如乙醇与水的任意比例混合溶液；SiO₂/Fe₃O₄颗粒的形状为例如球形。采用超声分散使SiO₂/Fe₃O₄颗粒在分散介质中均匀分散。所述分散液中SiO₂/Fe₃O₄颗粒的质量百分比浓度为例如0.5％。在本实施例中，静置所述容器使胶体状态的SiO₂/Fe₃O₄颗粒自由沉降的时间为例如1.5周。制备得到的SiO₂/Fe₃O₄光子晶体具有线缺陷，其线缺陷的分布密度为8.3*10¹³cm^-2。在本实施例中，光子晶体的线缺陷的分布密度定义为垂直于线缺陷的单位面积内线缺陷的数目。SiO₂/Fe₃O₄光子晶体中线缺陷的分布密度由TiO₂纳米棒阵列中TiO₂纳米棒的分布密度决定，且SiO₂/Fe₃O₄光子晶体中线缺陷的分布密度等于TiO₂纳米棒阵列中TiO₂纳米棒的分布密度。应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。