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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(zhǎng)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(lái)，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(guò)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(lái)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(guò)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(cè)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(guò)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(guò)大量的 SEM 圖，手動(dòng)拼接來(lái)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(guò)程分析（全景拼圖）。飛納臺(tái)式電鏡操作簡(jiǎn)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.