بخشی از مقاله
چکیده
در این کار، اوپالهای معکوس سه بعدی سیلیکا با استفاده از روش خود آرایی همزمان ساخته شده است. اوپالهای معکوس سه بعدی، موادی متخلخل، حاوی کرههای هوایی هستند که به صورت بسیار منظم در شبکه fcc در بستری از یک مادهی دی الکتریک قرار گرفتهاند. روش های متعددی برای ساخت اوپالهای معکوس وجود دارد. روش خود آرایی همزمان که در این کار مورد استفاده قرار گرفته است، در مقایسه با سایر روشها کم هزینه بوده وامکان ساخت اوپالهای معکوس با کیفیت بالا و در ابعادی حدود سانتی متر را فراهم میکند. این ساختارها خواصی مشابه بلورهای فوتونی سه بعدی دارند. گاف باند فوتونی یکی از اساسیترین ویژگی آنهاست که به محدودهای از طول موجها اطلاق میشود که مجوز عبور از ساختار را ندارند. ویژگی های منحصر به فرد این مواد منجر به این شده است که کاربردهای فراوانی در زمینههای مختلف از قبیل طراحی و ساخت حسگرهای زیستی و شیمیایی داشته باشند.
مقدمه
بلورهای فوتونی ساختارهایی متناوب متشکل از مواد با ضریب شکست مختلف هستند که دارای ویژگیهای بسیار مهمی از جمله گاف باند فوتونی هستند. گاف باند فوتونی به محدودهای از طول موجها اطلاق می شود که مجوز عبور از ساختار متناوب بلور فوتونی را نمییابند. کاربردهای فراوان این ساختارهای متناوب منجر به این شده است که توجه بسیار زیادی را به خود جلب کند. نوعی از بلورهای فوتونی اوپالها هستند. اوپالها متشکل از میکرو کرات کلوئیدی هستند که در آرایههایی منظم در شبکهی fcc قرار میگیرند.
این بلورهای کلوئیدی سه بعدی معمولا از میکروکرات سیلیکا، پلی استایرن، پلی متیل متاکریلات - - PMMA ساخته میشوند. از طرف دیگر، اوپالهای معکوس ساختارهای وارون اوپالها هستند. در واقع، اوپال های معکوس ساختارهایی متخلخل و منظم هستند و از حفرههای هوا در بستری از یک مادهی دی الکتریک تشکیل شدهاند. همانطور که گفته شد، اوپالها و اوپالهای معکوس به دلیل ساختار منظم و دورهای خود نوعی بلور فوتونی سه بعدی به حساب میآیند که دارای شبه باند گاف فوتونی هستند.
شبه باند گاف فوتونی به این مفهوم است که باند گاف فوتونی ایجاد شده به جهت انتشار نور در ساختار بستگی دارد در حالی که در باند گاف فوتونی کامل چنین محدودیتی وجود ندارد. اکثر کاربردهای عملی بلورهای فوتونی مبتنی بر استفاده از باند گاف فوتونی کامل آنها است. از لحاظ نظری، برای اینکه ساختارهای اوپال دارای باند گاف فوتونی کامل باشند باید اختلاف ضریب شکست بین اجزای سازندهی آن که شامل میکرو کرات و هوا است، بیش از 2/8 باشد.>1@ از آنجا که مواد سازندهی اوپالها محدود هستند، نمیتوان در آنها باند گاف فوتونی کامل مشاهده کرد. اما اوپالهای معکوس را میتوان از موادی با ضریب شکست بالا ساخت که باعث به وجود آمدن باند گاف فوتونی کامل میشود.
خواص نوری منحصر به فرد اوپالهای معکوس و همچنین ویژگیهای فیزیکی خاص این مواد مانند بالا بودن نسبت سطح به حجم و ساختار متخلخل سه بعدی آنها در ابعاد میکرو منجر به این شده است که در زمینههای مختلف نظیر سلولهای خورشیدی رنگ دانهای>2@، حسگرهای زیستی و شیمیایی>3@، دستگاههای میکرو سیال>4@، جداسازی مواد>4@، کاتالیستها و مهندسی بافت>5@ کاربردهای گستردهای داشته باشند.
برای این کاربردها اوپالهای معکوس باید ساختار بلوری یکنواخت با ابعاد وسیع داشته باشند. دو روش رایج برای ساخت اوپالهای معکوس وجود دارد. در روش اول، ابتدا، بلور کلوئیدی - اوپال - رشد داده شده و سپس از آن به عنوان قالب استفاده میگردد و ماتریس جامد در آن نفوذ میکند. این روش شامل سه مرحله کلی است: -1 ساخت قالب بلور کلوئیدی -2 نفوذ و انباشت مستقیم فاز ماتریس یا یک پیش ماده برای ایجاد فاز ماتریس -3 حذف گزینشی قالب بلور کلوئیدی. فیلم بلور کلوئیدی اولیه از طریق روشهای ته نشینی،1 جریان برشی2، چرخشی3، تبخیری و ته نشینی با جریان کنترل شده ساخته میشود. در مرحله دوم از محلولهای سل-ژل به عنوان پیش ماده ماتریس در ساخت اکسیدهای متخلخل استفاده میشود.
همچنین پیش مادههای پلیمری، پیش مادههای نمک، نانوذرات و پیش مادههای فاز بخار با استفاده از روش انباشت بخار شیمیایی - CVD - برای ساخت ماتریس جامد به کار میروند. فیلمهایی که با این روشها ساخته میشوند دارای نقصهایی مانند ترک، مرزهای ناحیهای و فضای خالی از کلوئید میباشند. نیروی مویینگی ایجاد شده در هنگام خشک شدن بعد از خودآرایی یا نفوذ به داخل قالب، باعث ایجاد ترک میشود. در روش ته نشینی لایه اتمی که زیر مجموعهای از روشهای انباشت بخار شیمیایی است، پوششهای یکنواخت و بدون ترک به وجود میآید. با این وجود، این روش پرهزینه و زمانبر بوده و همچنین مشکلات مرتبط با نقصهای موجود در قالب بلور کلوئیدی اولیه همچنان پابرجا است.
اوپالهای معکوس که با این روش ساخته میشوند معمولا ابعاد کوچکی دارند و ابعاد طولی آنها کمتر از 10 میکرومتر است. روش دوم ساخت اوپالهای معکوس، خود آرایی همزمان نام دارد. در این روش، قالب کلوئیدی همراه با پیش مادهی ماتریس در یک مرحله به صورت یک ساختار کامپوزیت کلوئیدی تشکیل میشوند و دیگر نیازی به نفوذ پیش ماده به داخل قالبی که از پیش آماده شده است، نمیباشد. این امر از ایجاد ترک درون ساختار جلوگیری میکند. با کنترل میزان غلظت پیش ماده و محلول کلوئیدی، امکان ساخت اوپالهای معکوس با ابعادی در مقیاس سانتیمتر فراهم میشود.
روش انجام آزمایش
در این کار، برای ساخت اوپال معکوس از قالب کلوئیدی ساخته شده از میکرو کرات پلی استایرن با قطر 287 نانومتر استفاده می شود که از شرکت آلمانی Microparticles GmbH خریداری شده است. همچنین پیش مادهی ماتریس مورد استفاده در این کار پیش مادهی سیلیکا - silica precursor - است که شامل مخلوطی از اتانول، اسید هیدروکلریک با غلظت 0,1 مولار در آب وتترا اتیل اورتوسیلیکات - TEOS - به ترتیب با نسبت جرمی 1:1:1,5 میباشد که به مدت یک ساعت مخلوط آنها همخورده است.>6@ سپس مخلوطی از پیش مادهی سیلیکا و میکرو کرات پلی استایرن
به نحوی آماده میشود که غلظت نهایی پلی استایرن 0,5 درصد وزنی باشد.
در این کار حجم در نظر گرفته شده برای پیش مادهی سیلیکا 40 میکرو لیتر است. سپس، محلول میکرو کرات پلیمری و پیش مادهی سیلیکا به روش لایه نشانی عمودی بر روی یک زیر لایهی شیشهای که آبدوست شده است، نشانده میشود. کنترل شرایط محیطی تاثیر به سزایی در کیفیت بلور رشد یافته بر روی زیر لایههای شیشهای دارد. جهت کنترل شرایط محیطی از دستگاه محفظهی تست شرایط محیطی Binder ساخت کشور آلمان استفاده شد. دما و رطوبت نسبی مورد استفاده در این کار به ترتیب 25 درجهی سانتیگراد و %65 میباشد.
در مرحلهی بعدی، پس از رشد بلور کلوئیدی بر روی زیر لایهی شیشهای، نوبت به کلسینه کردن قالب پلیمری میرسد. برای انجام این کار، زیر لایههای حاوی بلور در داخل کوره قرار میگیرد. شیب تغییرات دمای کوره طوری تنظیم میشود که در مدت 4 ساعت از دمای اتاق به 500 درجهی سانتی گراد برسد. سپس 5 ساعت در این دما میماند. در ادامه، دمای کوره در طی 4 ساعت به دمای اتاق میرسد. پس از اتمام این مرحله، میکروکرات پلیمری از بین رفته و اوپال معکوسی از جنس سیلیکا باقی میماند.
بحث و بررسی نتایج
بررسی ویژگیهای اوپال معکوس ساخته شده از دو طریق تصویر برداری و طیف سنجی انجام میپذیرد. تصاویر گرفته شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی در شکل - 1 - نمایش داده شده است. همانطور که در این شکل نمایان است، شبکهی متخلخل منظمی از کرات توخالی موسوم به اوپال معکوس تشکیل شده است. همچنین، طیف نمونههای ساخته شده قبل و بعد از کلسینه کردن مورد مطالعه قرار گرفته است.
در شکل - 2 - طیف عبوری از اوپال و اوپال معکوس در نقاط مختلف نمونهی ساخته شده، نشان داده شده است. تشابه طیفهای گرفته شده از نقاط مختلف نمونه، حاکی از یکنواختی نمونههای ساخته شده میباشد. همان طور که در این شکل مشاهده میشود، باند گاف فوتونی اوپال رشد یافته از پلی استایرن با سیلیکای پوشش داده شده در محدودهی طول موجی بین 680 تا 780 نانومتر قرار دارد. در حالی که پس از کلسینه کردن و تشکیل اوپال معکوس، باند گاف فوتونی جابهجا شده و در محدودهی طول موجی 410 تا 480 نانومتر قرار میگیرد.
