納米二氧化硅的可控制備及其光子晶體自組裝

遲聰聰， 任超男， 屈盼盼， 許 馨， 郭 敏

(陜西科技大學(xué) 輕化工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)輕工業(yè)紙基功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710021)

0 引言

與傳統(tǒng)的色素色或顏料色不同，結(jié)構(gòu)色是由材料的微觀結(jié)構(gòu)與光的相互作用引起的散射、衍射等光學(xué)現(xiàn)象而產(chǎn)生的顏色，其具有飽和度高、綠色環(huán)保和不褪色等優(yōu)點(diǎn).光子晶體是由兩種或兩種以上的電介質(zhì)在微納米尺度上周期排列形成的人工微結(jié)構(gòu)[1,2]，其光子禁帶、光子局域等特殊的光學(xué)結(jié)構(gòu)使光子晶體能夠?qū)膺M(jìn)行調(diào)控，并發(fā)生布拉格衍射從而形成色彩鮮艷的結(jié)構(gòu)色[3,4].

具有良好單分散性的微粒在光子晶體領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用[5]，主要包括聚苯乙烯(PS)[6]、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)[7]、氧化亞銅(Cu2O)[8]、二氧化硅(SiO2)[9]等.其中SiO2是一種無(wú)毒、無(wú)味且無(wú)污染的無(wú)機(jī)材料，球形SiO2形貌規(guī)整，表面的硅羥基能作為改性的橋梁，使SiO2粒子實(shí)現(xiàn)功能化，制備出多種性能優(yōu)良、能在納米材料中應(yīng)用的功能材料[10,11].由于SiO2膠體微球制備工藝簡(jiǎn)單，形貌可控，易于制備出不同粒徑范圍的納米球，因而在光子晶體材料方面的應(yīng)用更具有優(yōu)勢(shì)和潛力[12-14].

St?ber等[15]提出在醇介質(zhì)中氨水解正硅酸乙酯(TEOS)來(lái)制備單分散SiO2的方法，之后也有許多學(xué)者研究SiO2的合成機(jī)理并以其為基元制備光子晶體材料[16].王璐等[17]研究了催化劑NH3·H2O添加方式對(duì)SiO2微球粒徑的影響，制備出25～160 nm的SiO2微球.葉思云[18]以納米SiO2微球?yàn)榻Y(jié)構(gòu)單元，構(gòu)建發(fā)生結(jié)構(gòu)色變化的響應(yīng)型光子晶體印刷物.Nam H等[19]將光子晶體作為“油墨”，制造出具有多種較弱結(jié)構(gòu)色的全息圖.但St?ber法中不同條件對(duì)SiO2的影響比較復(fù)雜，因而明確反應(yīng)條件對(duì)SiO2形貌及粒徑的影響規(guī)律很有必要，這對(duì)于粒徑更均一的高質(zhì)量SiO2的可控制備具有指導(dǎo)意義.另外，微球粒徑與光子晶體的光學(xué)特征之間的構(gòu)效關(guān)系仍需進(jìn)一步確定.

本文對(duì)傳統(tǒng)的St?ber法進(jìn)行改進(jìn)，采用兩步滴加法制備出形貌規(guī)則、尺寸均一、單分散的非晶態(tài)SiO2微球.探究了前驅(qū)體濃度、反應(yīng)溫度、催化劑用量對(duì)SiO2微球粒徑大小的影響，研究不同熱處理溫度下SiO2粉體的物相結(jié)構(gòu)，采用雙基片垂直自組裝法制備不同結(jié)構(gòu)色的光子晶體并進(jìn)行光學(xué)性能表征.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

正硅酸乙酯(TEOS)，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；無(wú)水乙醇(C2H5OH)，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；氨水(NH3·H2O)(25%～28%)天津市富宇精細(xì)有限公司；雙氧水(H2O2)(30%)，分析純，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司.

1.2 二氧化硅微球的制備

取一定量的TEOS與乙醇磁力攪拌混合均勻?yàn)锳液，另取一定量的氨水與無(wú)水乙醇磁力攪拌混合均勻?yàn)锽液，然后將A液分別采用三種不同方式(一次性；分兩次，間隔30 min；分三次，每次間隔30 min.)滴加到B液中.將反應(yīng)體系置于一定溫度的水浴鍋中反應(yīng)5 h后得到SiO2懸濁液，分別用去離子水和乙醇離心洗滌三次后置于烘箱75 ℃烘干，取出后用研缽研磨后得到SiO2粉末.

1.3 二氧化硅基光子晶體的自組裝

將載玻片浸泡在30%的H2O2溶液中24 h，取出后先用去離子水清洗，再用無(wú)水乙醇清洗，烘干再將載玻片置于等離子清洗機(jī)中親水處理50 min.

稱(chēng)取一定質(zhì)量的SiO2粉末分散到乙醇中，超聲分散后得到一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SiO2乙醇溶液.將親水處理過(guò)的載玻片組裝成雙基片裝置，垂直插入SiO2乙醇溶液中，置于45 ℃烘箱中恒溫干燥，待溶液蒸發(fā)完全即可在載玻片上得到呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)色的光子晶體薄膜.

1.4 測(cè)試與表征

試樣的物相結(jié)構(gòu)分析采用X-射線衍射儀(XRD，日本理學(xué)，D/max2200PC)，使用CuCa射線，掃描速度為6 °/min；化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)分析用傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR，德國(guó)Bruker，V70)，使用KBr空白壓片作為參照，取3 mg SiO2粉末與150 mg KBr混合均勻并壓片制樣后掃描；微觀結(jié)構(gòu)分析用掃描電子顯微鏡(SEM，日立，S-4800)，對(duì)SiO2粉末和光子晶體材料表面噴金90 s后觀察其形貌；SiO2微球的粒徑分布采用表面電位分析儀(英國(guó)Malvern，ZS90)，配置3%濃度的SiO2乙醇分散液進(jìn)行粒度分析；薄膜的光學(xué)特征采用紫外-可見(jiàn)-近紅外分光光度計(jì)(UV-Vis-NIR，美國(guó)安捷倫，Cary5000)，測(cè)試樣品的反射光譜.

2 結(jié)果與討論

2.1 TEOS滴加方式對(duì)SiO2微球的影響機(jī)理

研究采用兩步滴加的方式，以TEOS為硅源，NH3·H2O作為催化劑，在醇介質(zhì)中發(fā)生水解和縮合反應(yīng)生成SiO2[20].用該方法合成納米SiO2微球的過(guò)程涉及三個(gè)反應(yīng)：(1) 生成硅羥基(Si-OH)的水解反應(yīng)；(2) 生成醇的縮合反應(yīng)；(3) 生成水的縮合反應(yīng)[21].以上反應(yīng)的表達(dá)式分別為：

(1)

(2)

(3)

式(1)、(2)中：R=C2H5.

如圖1所示：圖1(a)是將A液一次性加入到B液中，SiO2顆粒生長(zhǎng)過(guò)程中較易團(tuán)聚形成大面積膠體團(tuán)，生成的SiO2存在部分團(tuán)聚現(xiàn)象，粒徑不均，無(wú)法獲得分散性良好的SiO2微球.這可能由于TEOS濃度劇增使其未能反應(yīng)完全，TEOS上被取代的氧乙基就少.其完全水解生成的中間產(chǎn)物是形成形貌規(guī)整、粒徑均一的SiO2粒子的關(guān)鍵.中間產(chǎn)物由于存在較大的空間位阻難以互相脫水縮聚，導(dǎo)致成核速度慢、成核較少且后期容易形成新核，由于舊核與新核的生長(zhǎng)機(jī)理不同，二次成核導(dǎo)致最終微球粒徑生長(zhǎng)不均勻.除此之外，隨著TEOS濃度的驟然增加，水解所得到的中間產(chǎn)物硅酸的濃度增大，如果體系中的中間產(chǎn)物的濃度很高，體系處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，容易使生成的SiO2小球互相粘結(jié).

當(dāng)A液分兩次滴加入B液時(shí)，-OH濃度較高，進(jìn)攻TEOS的機(jī)會(huì)增多，TEOS迅速水解，TEOS上被取代的氧乙基就多，空間位阻小有利于中間產(chǎn)物脫水縮聚的進(jìn)行，體系中成核速度加快，在短時(shí)間內(nèi)就可以形成大量微核，顆粒生長(zhǎng)受微核表面SiO2分子擴(kuò)散情況的影響和交聯(lián)生長(zhǎng)過(guò)程控制，所以微粒會(huì)均勻生長(zhǎng)，形成如圖1(b)所示粒徑均勻的球狀顆粒.

SiO2粒子的尺寸與單分散性，由初級(jí)粒子的聚集速度和成核速度決定.如果初級(jí)粒子的聚集速度大于成核速度，則最終粒子的尺寸大且單分散性較好；反之，如果初級(jí)粒子的聚集速度小于成核速度，則最終粒子的尺寸小且單分散性差(粒徑不均一)[21].所以使用TEOS為硅源制備納米SiO2微球時(shí)，為了達(dá)到粒子聚集速度和成核速度的平衡，避免出現(xiàn)“二次成核”，采取分步加入硅源的方法，可以控制反應(yīng)的成核速率，易制備出分散性良好的SiO2微球.分三步加入同等總量的硅源時(shí)，在相同的反應(yīng)時(shí)間下得到的SiO2粒徑如圖1(c)所示.粒徑明顯減小，且出現(xiàn)橢圓、形狀略扁、甚至有棱角的SiO2粒子.這是因?yàn)镾iO2在反應(yīng)早期成核后，由于TEOS濃度緩慢增加，SiO2粒子的生長(zhǎng)也較為緩慢，需要延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間使其生長(zhǎng)完全為“成熟”的SiO2微球.

因此，為節(jié)省反應(yīng)時(shí)間，在提高效率的同時(shí)得到高球度且粒徑分布窄的納米SiO2，后續(xù)實(shí)驗(yàn)均采用兩步滴加的方式來(lái)制備SiO2微球.

(a)一步滴加TEOS時(shí)微球形貌

2.2 TEOS用量對(duì)SiO2微球的影響

保持乙醇、NH3·H2O用量不變，探討TEOS用量對(duì)SiO2微球粒徑的影響.從圖2、圖3和圖4可以看出，隨著TEOS用量由1.5 mL增加到3.5 mL，SiO2微球粒徑由圖2(a)的312 nm增加到圖2(c)的374 nm，這是因?yàn)殡S著TEOS濃度的提高，溶液中TEOS的水解速率增快，生成的短鏈交聯(lián)結(jié)構(gòu)逐漸增加，在脫水縮合過(guò)程中，短鏈間交聯(lián)不斷加強(qiáng)，其聚合度也會(huì)增加，結(jié)果導(dǎo)致生成的SiO2微球粒徑變大.

(a)TEOS為1.5 mL時(shí)微球形貌

(a)TEOS為1.5 mL時(shí)微球的粒徑分布

圖4 TEOS用量對(duì)微球粒徑的影響

2.3 反應(yīng)溫度對(duì)SiO2微球的影響

TEOS的水解反應(yīng)是羥基逐步取代四個(gè)乙氧基的過(guò)程，期間需要的活化能逐漸增多使得取代的難度增加，而提高反應(yīng)溫度可為此提供更多的能量，使水解反應(yīng)進(jìn)行得更徹底[22].反應(yīng)(2)和(3)都是形成Si-O-Si鍵的縮合反應(yīng)，這是形成納米 SiO2粒子的核心所在，這兩個(gè)反應(yīng)的速率常數(shù)都隨著反應(yīng)溫度的升高而減小，納米SiO2的粒徑大小可由縮合反應(yīng)的速率來(lái)控制.升高溫度也有利于小顆粒從其它顆粒表面脫附，使得被覆蓋的活性基團(tuán)能夠繼續(xù)參與反應(yīng).

由圖5、圖6和圖7可以觀察到，當(dāng)溫度從28 ℃升高到40 ℃時(shí)，SiO2微球的粒徑從472 nm減小到167 nm，說(shuō)明反應(yīng)過(guò)程中溫度對(duì)SiO2微球尺寸的影響較大.反應(yīng)溫度與粒徑之間的變化規(guī)律與TEOS水解縮合過(guò)程中SiO2微球的生長(zhǎng)速率和成核速率有密切的關(guān)系.當(dāng)溫度較低時(shí)，TEOS的水解速率比較慢，新生的SiO2晶粒較少，已經(jīng)成核的SiO2晶粒不斷長(zhǎng)大，即SiO2的生長(zhǎng)速率大于其成核速率，最終形成的SiO2晶粒就比較大，但是晶粒數(shù)量比較少；當(dāng)溫度較高時(shí)，TEOS能夠迅速水解，不斷有新的晶核形成，晶核數(shù)目比較多，即成核速率大于其生長(zhǎng)速率，從而粒徑比較小.

(a)反應(yīng)溫度為28 ℃時(shí)微球形貌

(a)反應(yīng)溫度為28 ℃時(shí)微球的粒徑分布

圖7 反應(yīng)溫度對(duì)微球粒徑的影響

2.4 NH3·H2O用量對(duì)SiO2微球的影響

在確保其他條件不變的前提下，探討催化劑NH3·H2O用量對(duì)微球的影響.從圖8、圖9和圖10可以看出，隨著NH3·H2O濃度的增大，SiO2微球粒徑也會(huì)增大.在一定范圍內(nèi)，從圖8(a)的374 nm增加到圖8(c)的531 nm.這是因?yàn)镾iO2的合成過(guò)程涉及到水解、成核和顆粒的生長(zhǎng)三個(gè)過(guò)程，其中成核是在TEOS加入的早期就快速形成的，而水解是整個(gè)反應(yīng)過(guò)程的關(guān)鍵因素，能控制水解的條件也是能控制成核與顆粒生長(zhǎng)的因素.當(dāng)其它條件保持不變時(shí)，NH3·H2O濃度增大會(huì)提高溶液中OH-的濃度，從而促進(jìn)TEOS的水解，另一方面，NH3·H2O在促進(jìn)水解與縮合反應(yīng)速率的同時(shí)也加速了中間產(chǎn)物的生成與消耗，這將導(dǎo)致成核的數(shù)量降低，所以在前驅(qū)體濃度不變的情況下，最終會(huì)得到更大粒徑的微球.

(a)NH3·H2O用量為3.5 mL時(shí)微球形貌

(a)NH3·H2O用量為3.5 mL時(shí)微球的粒徑分布

圖10 氨水濃度對(duì)微球粒徑的影響

2.5 不同熱處理溫度對(duì)SiO2物相結(jié)構(gòu)的影響

圖11是不同溫度熱處理后SiO2微球的XRD衍射譜圖.由圖可以看出，不同熱處理溫度下的試樣均在θ=22 °附近出現(xiàn)饅頭型衍射峰，這表明制備的納米SiO2為非晶態(tài).

圖11 不同溫度熱處理SiO2的XRD衍射譜圖

圖12是SiO2粉體在不同溫度熱處理2 h后的紅外光譜圖.從圖中可以看出，樣品的紅外光譜吸收曲線中存在多個(gè)吸收峰，在796 cm-1、967 cm-1、 1 102 cm-1、1 631 cm-1、3 430 cm-1均出現(xiàn)了特征峰.其中796 cm-1處的吸收峰是Si-O鍵對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)引起的；1 102 cm-1處的峰是Si-O-Si鍵的不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)引起的；967 cm-1處的吸收峰是Si-OH鍵的彎曲振動(dòng)引起的，SiO2微球粉體經(jīng)高溫處理后，該吸收峰大幅度減弱，且隨溫度的升高逐漸消失.說(shuō)明在該過(guò)程中，Si-OH鍵完全縮合成為Si-O-Si化學(xué)鍵；在1 631 cm-1附近的吸收峰是粉體中含有少量水分引起的H-O-H鍵的彎曲振動(dòng)峰，隨著熱處理溫度的升高，水分含量逐漸降低，該吸收峰逐漸減弱甚至消失；在3 430 cm-1處較寬的吸收峰屬于SiO2·xH2O結(jié)構(gòu)中水-OH的典型反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰，隨著熱處理溫度的升高，峰強(qiáng)度也在逐漸減弱，說(shuō)明粉體中結(jié)構(gòu)水的含量逐漸減少.從實(shí)驗(yàn)樣品的紅外光譜圖中可以看出實(shí)驗(yàn)合成的微粒是一種純相的納米SiO2[23].

圖12 不同溫度熱處理后SiO2的紅外光譜

2.6 光子晶體垂直自組裝及薄膜的光學(xué)特征

光子晶體自組裝所需要的條件有硬球排斥、粒徑均一、粒子間范德華力、體系趨于穩(wěn)定.其中硬球排斥和粒子間范德華力是納米膠體溶液本身固有的性質(zhì)，其它條件主要通過(guò)優(yōu)化制備工藝來(lái)實(shí)現(xiàn).因此微球的粒徑分布和穩(wěn)定的體系是組裝過(guò)程中的實(shí)際可控因素.影響體系穩(wěn)定性的因素主要有微球粒徑、球體表面性質(zhì)、微球體積分?jǐn)?shù)、溶劑種類(lèi)等[24].

采用雙基片垂直自組裝法，將載玻片以垂直的方式放置于分散膠體顆粒的懸浮液中，利用乙醇溶液的不斷蒸發(fā)和SiO2微球懸浮液與載玻片之間產(chǎn)生的毛細(xì)管力，驅(qū)使SiO2微球不斷向載玻片移動(dòng)，然后在溶液表面張力的協(xié)同作用下實(shí)現(xiàn)SiO2微球粒子的自組裝[25]，最終合成結(jié)構(gòu)色光子晶體.垂直沉積自組裝機(jī)理如圖13所示.

圖13 垂直自組裝光子晶體機(jī)理示意圖

圖14為紫外光以垂直方向入射光子晶體薄膜得到的反射光譜圖.將不同粒徑的SiO2微球自組裝得到的光子晶體薄膜，采用反射光譜對(duì)其光子禁帶進(jìn)行表征，測(cè)試時(shí)光譜儀的入射光是垂直于薄膜樣品的表面，當(dāng)入射光的波長(zhǎng)范圍落在光子晶體的帶隙內(nèi)時(shí)，該區(qū)域的光在光子晶體內(nèi)部是被禁止傳播而反射的，通過(guò)測(cè)試某一方向上反射光譜的峰值，就可以得到該光子晶體帶隙的位置.從圖中可以發(fā)現(xiàn)，光子晶體薄膜的帶隙位置和SiO2微球粒徑之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如果改變SiO2微球的粒徑大小，帶隙位置也隨之改變，引起薄膜的顏色產(chǎn)生變化.所以，可以通過(guò)對(duì)微球粒徑大小的調(diào)節(jié)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光子晶體薄膜光學(xué)性能的調(diào)控.

圖14 不同粒徑SiO2微球自組裝光子晶體薄膜的反射光譜圖

由圖14可知，隨著SiO2微球的粒徑由194 nm逐漸增大到374 nm，相應(yīng)的光子晶體的光子帶隙的中心波長(zhǎng)由370 nm增大到775 nm，反射光譜發(fā)生了紅移，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)色從紫色變?yōu)榧t色.光子禁帶和結(jié)構(gòu)色可以用布拉格方程(Bragg Law)[26]描述：

(4)

式(4)中：m是衍射級(jí)數(shù)，λpeak是反射峰的波長(zhǎng)，dhkl為晶體在(hkl)方向上的晶格間距，它與聚合物微球的粒徑有關(guān)，neff是晶格的有效折射率；θ為入射光的角度.一般來(lái)說(shuō)，光子晶體的(111)晶面平行于玻璃基板的表面.在光譜測(cè)量中，設(shè)定入射光垂直于(111)晶面，即θ=0，m=1.對(duì)于面心立方結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，晶格間距可由公式(5)計(jì)算得：

(5)

式(5)中：Dsphere為SiO2微球的直徑.對(duì)于密堆積結(jié)構(gòu)，其有效折射率可用公式(6)計(jì)算得：

(6)

式(6)中：布拉格方程計(jì)算所得二氧化硅光子晶體結(jié)構(gòu)色薄膜的反射峰波長(zhǎng)和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的波長(zhǎng)如表1所示.nSiO2和nair分別為二氧化硅和空氣的折射率，f為二氧化硅的填充率.即nSiO2=1.45，nair=1，f=0.74.

根據(jù)布拉格方程計(jì)算所得二氧化硅光子晶體結(jié)構(gòu)色薄膜的反射峰波長(zhǎng)與實(shí)際測(cè)得波長(zhǎng)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 不同粒徑二氧化硅微球自組裝光子晶體薄膜反射峰的理論值與實(shí)驗(yàn)值

隨著微球粒徑的逐漸增大，薄膜中光子帶隙的位置也隨之向長(zhǎng)波段移動(dòng)，比如圖中粒徑為278 nm的SiO2微球其中心光子帶隙約在530 nm處，帶隙位置處于綠光波段，所以整個(gè)光子晶體薄膜顯現(xiàn)綠色.圖中粒徑為194 nm的SiO2微球其帶隙約在370 nm處，粒徑為374 nm的SiO2微球其帶隙約在775 nm處，均顯現(xiàn)出藍(lán)綠色，這種現(xiàn)象是由于光的布拉格二次衍射造成的，所以顯現(xiàn)出介于藍(lán)色和綠色之間的顏色，如圖15所示.

(a)278 nm (b)374 nm

表1數(shù)據(jù)顯示，理論計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值之間存在一定的差異.SiO2微球在自組裝過(guò)程會(huì)受外界干擾，雖然制得的光子晶體薄膜是層層排布、整齊有序的六角密排結(jié)構(gòu)，但部分顆粒之間存在較大空隙，導(dǎo)致其表面存在一些線缺陷、點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)等，薄膜裂紋的缺陷使得光子晶體薄膜的帶隙位置發(fā)生偏移，如圖16所示.

(a)完整薄膜圖 (b)局部缺陷放大圖

這可能是由于在樣品制備過(guò)程中，無(wú)法保持外界環(huán)境絕對(duì)穩(wěn)定，例如溫度改變引發(fā)的溶液蒸發(fā)速率的變化，以及由于某些因素引起的微小震動(dòng)等都有可能使SiO2膠體微球脫離平衡態(tài)，導(dǎo)致自組裝樣品存在缺陷.各種類(lèi)型的缺陷產(chǎn)生的散射光波和光子晶體周期性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的散射光波相互疊加，因相位差異會(huì)削弱光反射峰強(qiáng)度，也就是說(shuō)當(dāng)樣品中的缺陷的增多時(shí)，光子晶體薄膜的帶隙會(huì)有較大的變化，薄膜樣品的光反射性能會(huì)降低[27].這使理論推導(dǎo)中所采用的參數(shù)與實(shí)際樣品的幾何參數(shù)之間存在一定程度的偏差，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)值與理論值產(chǎn)生差異.

3 結(jié)論

(1)對(duì)傳統(tǒng)的St?ber法進(jìn)行改進(jìn)，采用兩步滴加TEOS的方式明顯改善了SiO2微球的單分散性，防止微粒團(tuán)聚的同時(shí)得到粒徑分布窄(120～530 nm)的SiO2微球.

(2)一定范圍內(nèi)，前驅(qū)體用量的增加，反應(yīng)溫度的降低，或催化劑NH3·H2O濃度的增大，均使SiO2微球粒徑增大.TEOS用量從1.5 mL增加到4.5 mL，微球粒徑由310 nm增大到430 nm；反應(yīng)溫度從28 ℃升高到40 ℃時(shí)，SiO2微球的粒徑由472 nm減小到167 nm；NH3·H2O用量從3 mL增加到6 mL，微球粒徑由370 nm增大到550 nm.因此，可通過(guò)調(diào)控上述反應(yīng)條件來(lái)制備不同粒徑范圍的SiO2微球.

(3)采用不同粒徑的SiO2微球來(lái)進(jìn)行垂直自組裝，待溶液蒸發(fā)完全后可得到不同顏色的結(jié)構(gòu)色光子晶體.微球粒徑逐漸增大時(shí)，薄膜中光子帶隙的位置也隨之向長(zhǎng)波段移動(dòng).光子晶體內(nèi)部總體呈現(xiàn)有序的六角排列，但一定缺陷使得光子晶體的帶隙位置發(fā)生偏移.