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同步時，光波會產(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被反射出來，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實現(xiàn)介電常數(shù)的周期性變化是一個研究熱點。由此得到的膠體晶體的光子特性由晶體的對稱性，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，制得的膠體晶體的光禁帶正好處于可見光區(qū)，會呈現(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，都會顯示出不同的結(jié)構(gòu)色。

　　通過掃描電鏡快速篩樣，可以快速統(tǒng)計出原材料的尺寸，對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應(yīng)截面微球的 SEM 圖（宏觀依次表現(xiàn)為紅、綠、藍(lán)）[2]

圖3. 電鏡顆粒統(tǒng)計分析測量系統(tǒng)

　　其次，對于光子晶體，其微觀結(jié)構(gòu)決定其宏觀狀態(tài)，組裝過程中，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)方法需要通過大量的 SEM 圖，手動拼接來對應(yīng)光學(xué)顯微鏡圖像。

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]

圖5. 電鏡自動全景拼圖系統(tǒng)

　　掃描電子顯微鏡是光子晶體研究中不可缺少的分析儀器，主要用于：原材料的篩選（顆粒尺寸范圍，顆粒尺寸統(tǒng)計，快速篩樣）和組裝過程分析（全景拼圖）。