单分散SiO2TiO2SiO2多层复合微球的制备.pdf

Vol 5 第16卷第5期 无机材料学报 16，No Journalof Materials 2001年9月 Inorganic Sep．}2001 文章编号：1000-324X(2001)05·089607 单分散Si02／Ti02／Si02多层复合微球的制备 李群艳1，董 鹏1，刘忍肖1白元强2 (1．石油大学重质油加I国家重点实验室，北京102200；2．北京科技大学材料学 院，北京102200) 摘要：采用一种以醇盐水解法为基础的生长硅溶胶的方法，制备了粒径为200nm的单分散二 氧化硅球形颗粒，并将其作为核心，利用常温连续进料的钛酸丁酯水解的多步法，在二氧化硅核 心外经多次包覆形成厚层二氧化铁；在正硅酸乙酯的水解和陈化环境下，将上述Ti02／si02复 合颗粒外再包覆一薄层=氧化硅，形成一种高折射率，可用于组裴光子晶体的SiOz／TiO：／Si02 多层复合微球．对该复合微球用重力沉降法、透射电镜法(TEM)、x射线能谱分析法(EDS) 进行了表征，其中，重力沉降法是一种将Stokes公式为基础推导的复合颗粒的粒径与沉降速度 关系式所得的一系列数据进行拟台外延，来测定复台颗粒的粒径及包覆厚度的方法． 关键词：钛酸丁酯；复合颗粒；透射电镱；重力沉降 中图分类号：TB33文献标识码：A 1引言 光子晶体是指具有光子能带及能隙的一类新材料，其典型结构为一个折射率周期变化 的三维物体，周期为光波长量级，光子在这类材料中的作用类似于电子在凝聚态物质中的 作用11J．由于光子晶体的这种特性，使它成为制备速度快，容量大，集成度高的新型光子器 件的基础，具有非常广泛地应用前景．它已成为当今世界上十大热点研究领域之一． 将光波长量级的亚微米单分散颗粒实现三维有序聚集是制备光子晶体的方法之一．目 前，国内外学者已尝试用二氧化硅或聚苯乙烯小球组装成这一类光子晶体∞l，但是由于二 氧化硅和聚苯乙烯的折射率较低(n=1．4—1．5)，不能得到完全带隙结构的光子晶体．二氧化 钛具有较高的折射率，但其颗粒尺寸很不均匀且颗粒间非常容易粘结，难于得到单分散性 良好的纯二氧化钛颗粒，而且二氧化钛表面性质也使其难于组装成有序结构． 以单分散的二氧化硅粒子作为核心，在其外部进行厚层二氧化钛包覆，以此在提高复 合粒子折射率的同时改善粒子尺寸的均一性，并通过控制包覆条件，缓解颗粒间的粘结． 为了克服二氧化钛粒子不容易组装的难题，本工作还在二氧化钛外层再包覆一薄层二氧化 硅，以恢复二氧化硅的易组装性．计算表明，如果以200rim的二氧化硅颗粒作为核心，其 外包覆40nm的二氧化钛(以锐钛矿的晶型存在)，最外层再包覆一薄层(10hm)二氧化硅，最 终颗垃粒径为300nm．二氧化钛的负载量在整个复合粒子中占68．4wt％，其折射率可提高到 2．0这种si02／Ti02／sj02夹心粒子，将为实现近红外和可见光范围光子晶体材料的制备创 造条件． 2000—10-30 收稿日期：2000-08—23，收到任改稿日期z 基金项目：国家自然科学基金；重质呐加工国家重点实验室基金 作者简开：李群艳(1974一)，女，硕士研究生． 万方数据 5期 李群艳，等：单分散Si02／Ti02／Si02多层复合微球的制备897 已有文献【“6】报道过用二氧化钛包覆单分散二氧化硅球体来改善颗粒的单分散性的方 法．Srinivansan等人14】通过钛酸丁酯的水解，对270nm的单分散二氧化硅颗粒实现了二氧 化钛单分子的包覆．Hanprasopwattane[5】改进了这个方法使无定形二氧化钛包覆层厚增加 3wt％的二氧化钛负载量．并发现醇盐浓度过高时，将会