بخشی از مقاله
در این مقاله ساخت بلور فوتونی دو بعدی با استفاده از پلیمرهای کروی شکل پلی استایرن بررسیشده است. با استفاده از روش سلول زاویه دار، میکرو ذرات پلیمری ساختار تک لایه شش وجهی را بر روی زیر لایه شیشهای بهصورت خودآرا تشکیل میدهند. در این کار، تاثیر تغییر زاویه داخلی سلول بر تراکم و کیفیت بلور کلوئیدی تک لایه مورد بررسی قرار گرفته است. بلورهای فوتونی دو بعدی ساخته شده میتوانند به عنوان یک قالب برای ساخت انواع نانو ساختارهای دو بعدی و یا بلورهای فوتونی متنوع دیگری مورد استفاده قرار گیرند.
کلید واژه: بلور فوتونی دو بعدی، میکرو ذرات پلیمری، نوار توقف فوتونی، خودآرایی.
-1 مقدمه
یکی از انواع بلورهای فوتونی، بلورهای کلوئیدی هستند که به صورت دو بعدی و سه بعدی از میکرو ذرات پلیمری یا معدنی ساخته میشوند. بلورهای کلوئیدی دو بعدی میتوانند به عنوان قالب برای ساخت انواع دیگر بلورهای فوتونی - اوپال معکوس - ، حسگرهای زیستی و شیمیایی، سلولهای خورشیدی، دیودهای نور گسیل و نیز به عنوان ماسک در روشهای لیتوگرافی کلوئیدی، که به عنوان یکی از کم هزینه ترین روش های لیتوگرافی به حساب می آید، مورد استفاده قرار گیرند. برای ساخت بلور کلوئیدی دو بعدی شامل یک تک لایه از میکرو ذرات پلیمری از روشهای مختلفی مانند روش لانگمیور-بلاجت، چرخشی و تجمع همرفتی استفاده میشود. روش لانگمیور-بلاجت شامل چهار مرحله اصلی است، اصلاح سطح ذرات، توزیع ذرات بر روی سطح آب، فشرده نمودن ذرات در یک آرایه دو بعدی و انتقال ذرات بر روی زیر لایه جامد .>1@ از معایب این روش هزینه بالا و پیچیدگی فرآیندهای ساخت میباشد. در روش چرخشی آرایههای دو بعدی از ذرات کلوئیدی به صورت فشرده و غیر فشرده میتواند تولید شود .>2@
به علت توانمندی و سادگی روش تجمع همرفتی، این روش از پر کاربردترین روشهای ساخت بلور کلوئیدی دو بعدی است .>3@ در این مقاله، از روش سلول زاویه دار که نوعی روش تجمع همرفتی است، برای رشد بلور فوتونی کلوئیدی دو بعدی با استفاده از میکرو کرات پلی استایرن استفاده شده است. این سلول از دو لام شیشهای که تحت زاویهی مناسب نسبت به هم قرار گرفتهاند تشکیل شده است - شکل. - 1 هنگامی که محلول کلوئیدی داخل سلول تزریق میشود، وجود نیروی چسبندگی سطحی بین محلول و شیشه، منجر به تشکیل سطح مقعری از محلول بین دو دیواره سلول میشود. وجود این سطح مقعر در شکلگیری بلور کلوئیدی بسیار مؤثر است به طوری که ضخامت بلور کلوئیدی دو بعدی تشکیل شده بر روی زیر لایه به آهنگ نازک شدن سطح مقعر و سرعت حرکت ذرات کلوئیدی به طرف لبه، محل آغاز رشد بلور، بستگی دارد. در تشکیل بلور کلوئیدی دو بعدی عوامل مختلفی از جمله آهنگ تبخیر حلال، غلظت محلول، میزان آبدوستی زیر لایهها، هندسه و زاویهی بین دیوارههای سلول و همچنین یک اندازه بودن ذرات کلوئیدی دخالت دارند.
-2 روش انجام آزمایش
در ابتدا زیر لایهها جهت رشد بلور فوتونی دو بعدی آماده میشوند. زیر لایههای مورد استفاده از نوع لام شیشهای بوده که در ابتدا با محلول صابونی و بعد آب مقطر شست و شو داده میشوند. سپس، برای افزایش آبدوستی و ایجاد سطح مقعر بهتر به مدت 1 ساعت در محلول پیرانها1 در دمای 80 درجه سانتیگراد قرار گرفته و بعد با آب دو بار تقطیر شسته شده و با گاز نیتروژن خشک میشوند. در این کار، تأثیر زاویه داخلی سلول بر کیفیت و اندازه بلور کلوئیدی دو بعدی مورد بررسی قرار گرفته است . برای این منظور، آزمایش برای سلولهایی با زاویههای داخلی 2، 2 5، 3 و 3 5 درجه تکرار گردید. در این راستا، از محلول ذرات کلوئیدی پلی استایرن با قطر 508 نانومتر و غلظت %1 وزنی استفاده شد. محلول داخل سلولها تزریق شده و در محیطی با دمای 10 درجه سانتیگراد و رطوبت %80 به مدت 18 ساعت قرار گرفت به طوریکه کل آب محلول تبخیر شده و بلور کلوئیدی دو بعدی تشکیل شد.
تبخیر آب از فصل مشترک محلول کلوئیدی -شیشه-هوا منجر به ایجاد یک جریان در داخل سلول شده و ذرات کلوئیدی به سمت فصل مشترک انتقال مییابند. در محلی که ضخامت سطح مقعر به طور تقریبی برابر با قطر ذرات پلی استایرن باشد، هسته اولیهی فاز منظم ذرات کلوئیدی پلی استایرن شروع به ظاهر شدن میکند. به علت وجود نیروی وزن ذرات روی زیر لایه ته نشین میشوند و نیروی مویینگی عرضی منجر میشود که ذرات کلوئیدی داخل ناحیه مقعر کشیده شوند و به صورت منظم بر روی سطح قرار گیرند - شکل. - 1
-3 بحث و نتایج است.
لایههای ساخته شده از ذرات هم اندازه، ساختارهای دو بعدی متناوبی تشکیل میدهند که در طیف عبوری از این ساختارها، نوارهای توقف فوتونی به وجود میآید. این نوارها به دلیل پراکنده شدن نور میان آرایهای از کرهها ایجاد میشوند و هرچه این نوارها پهنای کمتری داشته باشند نشان دهنده کیفیت بهتر ساختار بلور دو بعدی تشکیل شده است. مکان تقریبی طول موج مربوط به نوار توقف فوتونی با رابطه زیر داده میشود .>4@دکه در آن neff ضریب شکست مؤثر ماده و d قطر کرهها است. شکل - - 2 طیف عبوری در حالت تابش عمود برای نمونههای ساخته شده در سلولهایی با زاویه داخلی 2، 2 5، 3 و 3 5 درجه را نشان میدهد. برای هر زاویه از پنج نمونه مختلف طیف گرفته شده است. نمودارهای شکل -2 - الف - مربوط به زاویه 2 درجه، شکل -2 - ب - زاویه 2 5 درجه، شکل -2 - ج - زاویه 3 درجه و شکل -2 - د - زاویه 3 5 درجه است. همان طور که در این شکلها نمایان است، نمودارهای نمونههای مختلف در زاویه یکسان انطباق بسیار خوبی دارند که نشان دهندهی تولید بلورهای دو بعدی یکسان و تکرار پذیری آزمایش است.
در شکل - 3 - نمودارهای مربوط به زاویههای مختلف در کنار هم رسم شده است - نمودار مربوط به هر زاویه حاصل میانگینگیری از اطلاعات پنج نمونه مختلف تحت همان زاویه است - . با توجه به شکل - 3 - محل قرار گرفتن طولموج کمینه مربوط به نوار توقف برای زاویه 2 درجه 633 نانومتر، 2 5 درجه 634 نانومتر، 3 درجه 637 نانومتر و 3 5 درجه 634 نانومتر است. طول موج کمینهای که برای ذرات کلوئیدی پلی استایرن با قطر 508 نانومتر با استفاده از رابطه - 1 - به دست میآید، برابر 639 نانومتر میباشد که به نتایج تجربی بسیار نزدیک است. پهنای طیف در نصف کمینه مربوط به طولموج نوار توقف برای زاویههای مختلف از دادههای تجربی به دست آمده که برای زاویه 2 درجه 39 نانومتر، 2 5 درجه 41 نانومتر، 3 درجه 46 نانومتر و 3 5 درجه 40 نانومتر بود.
با توجه به این که باریکتر بودن پهنای طیف در نصف کمینه نشان دهندهی کیفیت بلور فوتونی است، می توان نتیجه گرفت که بهترین کیفیت بلور در زاویه 2 درجه حاصل شده شکل - 4 - تصاویری از نمونههای ساخته شده را نشان میدهد. به سادگی و با چشم غیر مسلح نیز میتوان ناحیههای تک لایه و چند لایه را، با توجه به تفاوت رنگ، از هم تشخیص داد. همانطور که در شکل - -4الف - دیده میشود در حالت زاویه 2 درجه بلورهای کلوئیدی - تک لایه و چند لایه - در کنارههای لام تشکیلشده و ابعاد آنها کوچک است. با افزایش زاویه، محل تشکیل لایهها به سمت مرکز لام جابجا شده و همچنین ابعاد لایههای تشکیل شده نیز بزرگتر میشود. با این وجود، مشاهده میشود که با افزایش زاویه نسبت ناحیههای چند لایه به ناحیههای تک لایه افزایش مییابد - شکل -4 - د - - . با مقایسهی
