本发明公开了一种颗粒流态化组装多元胶体光子晶体的方法,包括如下步骤:将胶体状态晶体颗粒分散在分散介质中制备分散液,所述胶体状态晶体颗粒包括在所述分散介质中具有不同沉降速度的多种胶体状态晶体颗粒;将所述分散液加入到第一容器中,将所述分散介质加入到第二容器中;使所述第二容器中的所述分散介质从所述第一容器的底部通入到所述第一容器中;控制所述分散介质的流速,使得所述晶体颗粒中的一部分处于流动床状态,所述晶体颗粒中的另一部分处于输运床状态;当所述第一容器中的晶体颗粒分成两层时,停止向所述第一容器中通入所述分散介质;以及静置所述第一容器使所述晶体颗粒沉降获得多元胶体光子晶体。
1.颗粒流态化组装多元胶体光子晶体的方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:将胶体状态晶体颗粒分散在分散介质中制备分散液,所述胶体状态晶体颗粒包括在所述分散介质中具有不同沉降速度的多种胶体状态晶体颗粒;将所述分散液加入到第一容器中,将所述分散介质加入到第二容器中;使所述第二容器中的所述分散介质从所述第一容器的底部通入到所述第一容器中;控制所述分散介质的流速,使得所述晶体颗粒中的一部分处于流动床状态,所述晶体颗粒中的另一部分处于输运床状态;当所述第一容器中的晶体颗粒分成两层时,停止向所述第一容器中通入所述分散介质;以及静置所述第一容器使所述晶体颗粒沉降获得多元胶体光子晶体;所述晶体颗粒的粒径为0.1~2.0μm。
2.如权利要求1所述的颗粒流态化组装多元胶体光子晶体的方法,其特征在于,所述胶体状态晶体颗粒包括体积不同的胶体状态晶体颗粒。
3.如权利要求2所述的颗粒流态化组装多元胶体光子晶体的方法,其特征在于,所述体积不同的胶体状态晶体颗粒包括密度相同、体积不同的晶体颗粒;对密度相同、体积不同的晶体颗粒,体积小的晶体颗粒与体积大的晶体颗粒的粒径之比为0.2~0.72。
4.如权利要求1所述的颗粒流态化组装多元胶体光子晶体的方法,其特征在于,所述胶体状态晶体颗粒包括体积相同、密度不同的胶体状态晶体颗粒。
5.如权利要求4所述的颗粒流态化组装多元胶体光子晶体的方法,其特征在于,对体积相同、密度不同的晶体颗粒,密度小的晶体颗粒与密度大的晶体颗粒的密度之比为0.08~0.68。
6.如权利要求1所述的颗粒流态化组装多元胶体光子晶体的方法,其特征在于,所述晶体颗粒包括SiO₂、ZrO₂、TiO₂、PSt、SiO₂/Fe₃O₄、PSt/Fe₃O₄、PMMA/Fe₃O₄和PGMA/Fe₃O₄晶体颗粒中的一种或多种。
7.如权利要求1所述的颗粒流态化组装多元胶体光子晶体的方法,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。
8.如权利要求1所述的颗粒流态化组装多元胶体光子晶体的方法,其特征在于,所述分散液中晶体颗粒的总的质量百分比浓度为0.5~1.5%。
9.如权利要求1所述的颗粒流态化组装多元胶体光子晶体的方法,其特征在于,所述第一容器是流化床反应器,且所述第二容器是恒界面蓄液槽。技术领域
本发明涉及光子晶体的组装技术领域,特别涉及一种颗粒流态化组装多元胶体光子晶体的方法。
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”。具有不同周期性结构的光子晶体异质结构称为多元光子晶体。多元光子晶体具有几种周期性结构就称为几元光子晶体。多元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。相比于同种材料的光子晶体,多元光子晶体具有高效率,多波长选择的优点。现有技术中组装多元胶体光子晶体的方法主要有多步垂直沉积法、悬涂法和电泳法等。采用这些方法组装多元光子晶体时,需要将不同的光子晶体颗粒分别进行沉积,即先完成一种光子晶体颗粒的组装,然后加入含有第二种光子晶体颗粒的分散液,完成第二种光子晶体颗粒的组装,如此反复,直到所有的光子晶体颗粒都组装完毕。因此,上述方法的缺点是操作复杂,组装周期长,效率低。目前,非常需要一种操作简便、组装周期短、效率高的组装多元光子晶体的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种颗粒流态化组装多元胶体光子晶体的方法。本发明提供的颗粒流态化组装多元胶体光子晶体的方法包括如下步骤:将胶体状态晶体颗粒分散在分散介质中制备分散液,所述胶体状态晶体颗粒包括在所述分散介质中具有不同沉降速度的多种胶体状态晶体颗粒;将所述分散液加入到第一容器中,将所述分散介质加入到第二容器中;使所述第二容器中的所述分散介质从所述第一容器的底部通入到所述第一容器中;控制所述分散介质的流速,使得所述晶体颗粒中的一部分处于流动床状态,所述晶体颗粒中的另一部分处于输运床状态;当所述第一容器中的晶体颗粒分成两层时,停止向所述第一容器中通入所述分散介质;以及静置所述第一容器使所述晶体颗粒沉降获得多元胶体光子晶体。优选地,所述胶体状态晶体颗粒包括体积不同的胶体状态晶体颗粒。优选地,所述体积不同的胶体状态晶体颗粒包括密度相同、体积不同的晶体颗粒;对密度相同、体积不同的晶体颗粒,体积小的晶体颗粒与体积大的晶体颗粒的粒径之比为0.2~0.72。优选地,所述胶体状态晶体颗粒包括体积相同、密度不同的胶体状态晶体颗粒。优选地,对体积相同、密度不同的晶体颗粒,密度小的晶体颗粒与密度大的晶体颗粒的密度之比为0.08~0.68。优选地,所述晶体颗粒包括SiO₂、ZrO₂、TiO₂、PSt、SiO₂/Fe₃O₄、PSt/Fe₃O₄、PMMA/Fe₃O₄和PGMA/Fe₃O₄晶体颗粒中的一种或多种。优选地,所述晶体颗粒的粒径为0.1~2.0μm。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。优选地,所述分散液中晶体颗粒的总的质量百分比浓度为0.5~1.5%。优选地,所述第一容器是流化床反应器,且所述第二容器是恒界面蓄液槽。本发明具有如下有益效果:所述方法组装多元光子晶体操作简便,组装周期短,效率高。
附图说明
图1为本发明实施例的颗粒流态化组装多元胶体光子晶体的方法使用的装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的发明内容作进一步的描述。实施例1如图1所示,本实施例提供的颗粒流态化组装多元胶体光子晶体的方法使用的装置包括恒界面蓄液槽1、流量计2、阀门3、缓流器4、分布板5、流化床反应器6、集液槽7和固定装置8。所述恒界面蓄液槽1通过管路依次与所述流量计2、所述阀门3和所述缓流器4连接;所述流化床反应器6的底部安装有所述分布板5;所述缓流器4安装在所述分布板5下方;所述流化床反应器6的顶部安装有所述集液槽7。所述分布板5具有多个小孔,用于使通入所述流化床反应器6中的分散介质均匀分散。所述缓流器4用于对分散介质起缓冲作用。所述固定装置8用于固定所述流化床反应器6。所述流化床反应器6的顶端为锥形开口结构,用于避免处于输运状态的晶体颗粒溢出所述流化床反应器6。所述阀门3与所述缓流器4之间的距离为所述缓流器4下端管径的10~15倍,以使得所述缓流器4和所述流化床反应器6内分散介质的流动为平推流。本实施例提供的颗粒流态化组装SiO₂多元胶体光子晶体的方法包括如下步骤:将例如三种密度相同、体积不同的胶体状态SiO₂晶体颗粒分散在分散介质中,制备含有SiO₂晶体颗粒的分散液,其中所述三种SiO₂晶体颗粒的总的质量百分比浓度例如为0.5%;所述三种SiO₂晶体颗粒的粒径例如分别为0.5μm、1.0μm和2.0μm,其形状例如均为球形;分散介质采用例如蒸馏水;使用机械搅拌或超声分散使所述SiO₂晶体颗粒均匀分散在蒸馏水中;将所述含有SiO₂晶体颗粒的分散液加入到所述流化床反应器6中,将蒸馏水加入到所述恒界面蓄液槽1中;打开所述阀门3,所述恒界面蓄液槽1中的蒸馏水依次经所述流量计2、所述阀门3、所述缓流器4和所述分布板5从所述流化床反应器6的底部通入到所述流化床反应器6中,控制通入到所述流化床反应器6中的蒸馏水的流速,使得仅粒径为2.0μm的SiO₂晶体颗粒处于流动床状态,其余粒径分别为0.5μm和1.0μm的晶体颗粒处于输运床状态;当所述流化床反应器6中的SiO₂晶体颗粒分成两层,即粒径为2.0μm的SiO₂晶体颗粒位于下层,粒径分别为0.5μm和1.0μm的晶体颗粒位于上层时,关闭所述阀门3,静置约24小时后即可获得SiO₂多元胶体光子晶体。根据所述流量计2的示数并通过调节所述阀门3控制通入所述流化床反应器6中的蒸馏水的流速。可采用如下方法计算通入所述流化床反应器6中的分散介质例如蒸馏水的流速理论值:流化系数N的定义为: N = U a U t , - - - ( 1 ) ]]>式(1)中U_a为通入所述流化床反应器6中的分散介质的流速,m/s;U_t为晶体颗粒的临界流态化速度,m/s。流化系数N的经验值为1.4~1.6。雷诺数R_e的定义为: R e = U t ρ 0 d υ ; - - - ( 2 ) ]]>当R_e<0.4时,晶体颗粒的临界流态化速度U_t为: U t = ( ρ s - ρ 0 ) d 2 g 18 υ ; - - - ( 3 ) ]]>当0.4e<500时,晶体颗粒的临界流态化速度U_T为: U t = [ 4 225 · ( ρ s - ρ 0 ) 2 g ρ 0 υ ] 1 3 · d ; - - - ( 4 ) ]]>当500e<200000时,晶体颗粒的临界流态化速度U_t为 U t = [ 3.1 ( ρ s - ρ 0 ) gd ρ 0 ] 1 2 ; - - - ( 5 ) ]]>式(2)~(5)中,d为晶体颗粒的粒径,m;υ为分散介质的运动粘度,Pa·s;ρ_s为晶体颗粒的密度,kg/m³;ρ₀为分散介质的密度,kg/m³;g为重力加速度,g=9.81m/s²。由上述公式(2)~(5)计算可得粒径为2.0μm的SiO₂晶体颗粒的临界流态化速度U_t,再由公式(1)计算可得通入所述流化床6中的蒸馏水的流速Ua的理论值。参考该流速理论值,根据所述流量计2的示数,通过调节所述阀门3控制通入所述流化床反应器6中的蒸馏水的流速。可采用如下方法计算从关闭所述阀门3至获得SiO₂多元胶体光子晶体所需时间的理论值:晶体颗粒的自由沉降速度为: v = [ R e ( ρ s - ρ 0 ) gd 18 ρ 0 ] 1 2 - - - ( 6 ) ]]>式(6)中,R_e为雷诺数;d为晶体颗粒的粒径,m;ρ_s为晶体颗粒的密度,kg/m³;ρ₀为分散介质的密度,kg/m³;g为重力加速度,g=9.81m/s²。由公式(6)计算可得粒径为0.5μm的SiO₂晶体颗粒的自由沉降速度v。从关闭所述阀门3至获得多元胶体光子晶体所需时间为: T = h v - - - ( 7 ) ]]>式(7)中,v为晶体颗粒的自由沉降速度,m/s;h为分层后下层晶体颗粒的高度,m。由公式(7)计算可得从关闭所述阀门3至获得SiO₂多元胶体光子晶体所需时间的理论值。参考该时间理论值,用户可以获知静置需要的大概时间。实施例2本实施例提供的颗粒流态化组装多元胶体光子晶体的方法使用的装置与实施例1使用的装置完全相同。本实施例提供的颗粒流态化组装PMMA/Fe₃O₄复合材料多元胶体光子晶体的方法包括如下步骤:将例如两种粒径相同、密度不同的胶体状态PMMA/Fe₃O₄复合材料晶体颗粒分散在分散介质中,制备含有PMMA/Fe₃O₄晶体颗粒的分散液,其中所述两种PMMA/Fe₃O₄晶体颗粒的总的质量百分比浓度例如为1.0%;所述两种PMMA/Fe₃O₄晶体颗粒的密度例如分别为2000kg/m³和4000kg/m³,其形状例如均为球形;分散介质采用例如蒸馏水;使用机械搅拌或超声分散使所述两种PMMA/Fe₃O₄晶体颗粒均匀分散在蒸馏水中;将所述含有PMMA/Fe₃O₄晶体颗粒的分散液加入到所述流化床反应器6中,将蒸馏水加入到所述恒界面蓄液槽1中;打开所述阀门3,所述恒界面蓄液槽1中的蒸馏水依次经所述流量计2、所述阀门3、所述缓流器4和所述分布板5从所述流化床反应器6的底部通入到所述流化床反应器6中,控制通入到所述流化床反应器6中的蒸馏水的流速,使得密度为4000kg/m³的PMMA/Fe₃O₄晶体颗粒处于流动床状态,密度为2000kg/m³的PMMA/Fe₃O₄晶体颗粒处于输运床状态;当所述流化床反应器6中的PMMA/Fe₃O₄晶体颗粒分成两层,即密度为4000kg/m³的PMMA/Fe₃O₄晶体颗粒位于下层,密度为2000kg/m³的PMMA/Fe₃O₄晶体颗粒位于上层时,关闭所述阀门3,静置约3小时后即可获得PMMA/Fe₃O₄多元胶体光子晶体。根据流量计2的示数并通过调节所述阀门3控制通入所述流化床反应器6中的蒸馏水的流速。通入所述流化床反应器6中的分散介质即蒸馏水的流速理论值的计算方法与实施例1相同。从关闭所述阀门3至获得PMMA/Fe₃O₄多元胶体光子晶体所需时间的理论值的计算方法与实施例1相同。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。