文|樹洞檔案
編輯|樹洞檔案
前言
嵌段共聚物是一類被廣泛研究的材料，它們是比液晶稍長的長度組成的二維和三維結構。
觀察到類似的相行為，隨著兩個塊的相對體積分數改變，系統在層狀相和六方相和立方相之間過渡，它們在三塊系統中可以形成更複雜的形態。
嵌段共聚物體系的特徵周期性從5納米到數百納米，主要取決於嵌段共聚物的分子量，與預期的那樣，隨著嵌段共聚物分子量的增加，特徵長度尺度增大。
人們認識到，如果有一種方法可以將這種納米尺度的順序賦予基底，人們就可能有一種強大的技術來用納米大小結構的周期性陣列來塑造材料。
嵌段共聚物模板
與促溶性液晶不同，嵌段共溶合物一般無溶劑，可以在較高的溫度和真空下不破壞自組裝結構；因此可以使用高真空伴侶生物來啟發納米複合材料沉積和加工方法。
通常，嵌段共聚物的化學性質被設計成，可以通過臭氧或其他反應化合物的干蝕刻去除兩個孔中的一個，生成多孔結構，隨後將作為納米結構形成的模板。
納米結構的嵌段共聚物模板化的方法：
將一些嵌段共聚物的薄膜從溶劑上紡塗在基底上，並允許自組裝，在此之後，其中一個聚合物塊被臭氧蝕刻去除。
這種蝕刻過程的結果是，在襯底上塗有含有周期性納米級空隙結構的聚合物薄膜。
在去除覆蓋在空隙結構上的任何固體聚合物膜後，該聚合物膜被用作掩膜。
材料可以通過聚合物膜蒸發到基板上，也能夠從基板向上通過聚合物膜電化學生長，或者聚合物膜可以用作蝕刻掩模。
在所有情況下，結果是材料結構是聚合物膜（當聚合物被用作蝕刻掩模時）或聚合物膜的孔結構（當材料在孔中沉積時）的複製品。
通常，在最後會用溶劑或反應性離子蝕刻去除聚合物膜，在襯底上留下納米結構的模板特徵。
通過這種方法，可以在各種材料的襯底上創建周期陣列中20納米孔或點的特徵，包括氧化物、半導體、磁性材料，當然還有聚合物本身。
共聚物模板的力量進一步增強由於事實的大小和間距特性，可以調製簡單地通過改變分子量和組成的聚合物，晶格結構可以調製通過改變兩個塊的相對長度。
膠體模板
由於這類材料的令人興奮潛力，特別是在光子學領域，人們對微周期三維結構的興趣已經大大增長。
這種三維結構，通常被稱為光子晶體，是眾所周知的電介質堆棧的三維擴展。
雖然其出現的顏色來自白光通過高度有序亞微米矽球平面的衍射，不過這是我們的靈感。
對於實際應用，需要合成方法來創造具有必要折射率和周期性的材料和結構，以滿足大多數光學應用的要求，而大多數光學應用根本沒有。
一類特別有趣的光學結構是所謂的光子帶隙材料。
例如，由低折射率球組成的面中心立方陣列的光周期材料的晶格常數，可以是這樣的光子帶隙材料。
類似於介電堆棧在給定頻率範圍內的光有一個停止帶，這種材料不允許給定頻率範圍內的光在任何方向上穿過它。
在本質上，它將是一個全方位的、完全無損的鏡子，然而，合成這些結構是極其困難的。
使用最先進的VLSI技術，如深紫外光光刻、化學氣相沉積（CVD）、化學機械拋光，已經被證明是，巨大的處理困難限制了大面積和真正的三維結構的形成。
當適當形成時，自組裝的膠體晶體是構建光子晶體的天然候選材料。
良好的晶體質量實現只有生物啟發納米複合材料膠體很低尺寸多分散性（<5%），目前限制材料的選擇二氧化矽或聚合物，兩者有一個相當低的折射率約1.5，比大多數光學所需的應用程式。
這使得研究人員採用了一種兩階段的模板化方法：在第一步中，通過使用膠體來組裝所需的微周期結構。
在第二步中，該結構被用作模板，以構建具有具有更高折射率的材料的互補結構。
膠體晶體模板化是一種非常有前途的生產高解析度、微米尺度、三維周期光子晶體的方法。
但作為傳統的應用於光子帶隙結構的製造，它具有嚴重的光學局限性，除非可以使用具有必要的光學特性的材料。
通常，最重要的一點是填充具有足夠高折射率的材料，以產生光學上有趣的材料。
人們提出了一系列方法來最大限度地提高指數對比度，包括溶膠-凝膠、化學氣相沉積、納米顆粒吸收、二氧化鍺還原為Ge 、化學和電化學沉積。
在這些嘗試中使用的膠體模板通常是多晶的，可能包含不可接受的大量缺陷；因此，我們也付出了大量的努力來製造具有低缺陷密度的膠體晶體。
填充技術的優點與缺點
一般來說，它們都包括填充膠體模板的間隙的方法，之後一般會去除膠體模板。
膠體晶體模板的溶膠-凝膠填充是製備三維多孔材料的一個重要途徑，儘管由於幾個原因，它在光子材料上的應用有些限制。
首先，大多數材料可以通過溶膠-凝膠形成的折射率為<2（二氧化鈦除外，其折射率為2.5）；
第二，在溶膠轉化為固體材料的過程中體積大大減少；
第三，大多數溶膠-凝膠衍生材料的折射率大大小於相同材料的單晶。
淨效應是，大多數溶膠-凝膠衍生的大孔材料的折射率對比度相對較低，由於基質收縮不均勻，其長程順序有所破壞。
然而，如果你對光子材料不感興趣，而是試圖製造一種陶瓷大孔材料，溶膠-凝膠填充膠體晶體可能是一個很好的途徑。
基質的收縮實際上可能是一個優勢，因為它可以使孔徑達到模板直徑的50%左右的結構。
因為很難用小於幾百納米的球體來製造膠體晶體模板，這可能對創建納米周期結構很有價值。
另一種獲得大孔材料的途徑是用納米顆粒填充膠體晶體的間隙空間，然後去除膠體模板。
這比溶膠-凝膠填充有一些優點，因為結構的收縮從一個納米顆粒填充的膠體晶體中去除模板後，明顯少於從溶膠-凝膠填充體系中去除模板，可以製備更大的材料子集為納米粒子，包括半導體、金屬和陶瓷。
半導體納米顆粒填充膠體模板的第一個例子使用II-VI半導體納米顆粒。
從那時起，摻雜的二氧化鈦納米顆粒被填充到膠體模板中，然後去除模板生成大孔固體。
另一種填充膠體晶體以產生高折射率結構的方法是熔融吸收硫族化合物玻璃，如硒，然後溶解二氧化矽模板。
硒被選擇是因為它有一個高折射率為2.5，因此可以提供一個幾乎完整的3d光子間隙，一個非常低的光學損耗係數在1和10毫升，低熔點（2178C），和相對較低的表面張力（100達因cm-1），從而減少注入的結構所需的力量。
重要的是，硒很容易玻璃化，形成一個光學各向同性的玻璃。
其他硫系化合物玻璃當然可以用來填充膠體晶體；然而，它們有較高的軟化點，因此不適合初步研究。
畢竟，CVD通常在塗層平面表面上最有效，而且似乎幾乎不可能用深孔填充結構，如三維膠體晶體的間隙。
然而，在過去的幾年裡已經取得了重大的進展，現在已經證明通過CVD用矽和鍺幾乎完全填充膠體結構。
在膠體模板溶解後，結果是一個逆結構，具有必要的折射率和結構條件，以表現出一個完整的光子帶隙。
基於電沉積的填充有幾個原因很有趣，並且在特徵晶格常數和材料方面都具有通用的潛力。
高折射率材料的潛力、大面積結構、厚的三維膠體模板的完整填充，以及電沉積的低成本已經引起了人們對這一領域的興趣。到目前為止，三種不同的材料被電沉積到自組裝膠體晶體，即半導體、聚合物和金屬。
半導體是光子晶體的有趣的候選者，主要是因為它們的高折射率和一般堅固的性質。
掃描電子觀察將這些納米顆粒與二氧化鈦顆粒形成的膠體模板形成的大孔苯乙烯鈦結構的曲線。
膠體模板在300℃空氣中煅燒1小時去除3.4生物激發納米複合材料，通過膠體電鍍和電沉積創建三維周期性大孔材料的通用程序。
單分散的正沉積在導電基底上，自組裝成晶體，在加入電解液之前，樣品可以被乾燥和燒結，一種反電極允許電沉積所需的材料半導體聚合物。
迄今為止，II-VI半導體硫化鎘和硒化鎘以及氧化鋅已經通過膠體模板電化學生長，在模板溶解後，在大孔半導體薄膜中。
對於所有的系統，都使用了玻璃上的導電氧化物膜作為基底。
大孔硫化鎘薄膜是通過1 lm二氧化矽球形成的膠體晶體的間隙靜電流沉積生成的，硫化鎘和硒化鎘大孔薄膜是通過靜電勢沉積通過466 nm聚苯乙烯球生成的膠體模板生成的。
電沉積後，分別用HF和甲苯水溶液去除二氧化矽和聚苯乙烯膠體模板，由於半導體網絡的高剛性，去除模板後的收縮最多被限制在幾個百分點。
總結
對金屬介電球有序三維陣列的理論計算表明，這些材料在可見光譜部分構建全光子帶隙的材料很有前景。
金屬介電結構比純介電結構的優點是在可見光中更容易實現一個完整的帶隙。
在純介電結構中形成一個完整的帶隙是極其困難的，如果不是不可能的話，因為很少有介電，通過合成路線生產亞微米範圍的金屬介電膠體核殼顆粒，金屬殼厚度或足夠小的核可以顯示共振效應。
通過利用生物系統所表達的設計規則，並將其應用於合成系統來創造材料可能會更有成效。
受生物激發的納米複合材料的研究成果是巨大的，預計在不久的將來會取得很大的進展。
參考文獻：
【1】斯塔福德CM，Kim DH，麥卡錫TJ，托米寧M，霍克CJ，羅素TP：通過嵌段共聚物模板到納米二氧化矽柱的路線。Adv。母親2001.
【2】Lin ZQ，Kim DH，吳XD，布薩達L，石D，拉羅斯L，羅素TP：一種快速獲得薄膜納米結構陣列的途徑。Adv。母親2002.
【3】BalM，TP：使用圖形自組裝共聚物模板的集成磁電子器件的納米製造。應用程式。物理學。拉脫維亞的2002.
【4】 Shin K，Leach KA，哥德巴赫JT，金DH，Jho JY，圖米寧M，霍克CJ，羅素TP：一個到金屬納米點和納米多孔金屬薄膜的簡單路線。納米網。2002.
【5】光子晶體：塑造光的流動。普林斯頓大學：普林斯頓大學出版社；1995.在某些自組織系統中，光子帶隙的形成。物理學。發動機的旋轉E 1998.