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什么是光子晶體

光子晶體（photonic crystal）的概念起源于 1987 年，由科學家 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周期性排列而形成的人工微結構。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)生帶狀結構，即光子能帶結構（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被稱為光子晶體，它的顏色通常被稱為光子晶體的結構色（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)出美麗的結構色。

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構色。

通過掃描電鏡快速篩樣，和飛納電鏡自主開發(fā)的顆粒統(tǒng)計分析系統(tǒng)可以快速統(tǒng)計出原材料的尺寸，對微球的組裝具有指導意義。

圖1. 不同前驅體合成微球的 SEM 圖像 ^[1]

圖2. 不同顏色的光子晶體膜對應截面微球的 SEM 圖（宏觀依次表現(xiàn)為紅、綠、藍）^[2]

圖3. 飛納電鏡顆粒統(tǒng)計分析測量系統(tǒng)

其次，對于光子晶體，其微觀結構決定其宏觀狀態(tài)，組裝過程中，能夠有序組裝形成結晶區(qū)。

在光學顯微鏡下，結晶區(qū)呈較亮狀態(tài)，而非晶區(qū)較暗。由于光學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，手動拼接來對應光學顯微鏡圖像。然而，飛納電鏡開發(fā)的自動全景拼圖系統(tǒng)能夠快速解決這一難題。

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]

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圖5. 飛納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*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）。飛納臺式電鏡操作簡單，能夠快速獲得高質量的圖像，多樣化可拓展應用可以滿足大部分客戶的需求。

參考文獻

[1] A dual-channel optical magnetometer based on magnetically responsive inverse opal microspheres. Zhang etal., J. Mater, Chem. C, 2017, 5, 9288.

[2] Old relief printing applied to the current preparation of multi-color and high resolution colloidal photonic crystal patterns. Yang etal., Chem. Commun. 2015, 51, 16972-16975.

[3] Photonic sensing of organic solvents through geometric study of dynamic reflection spectrum. Zhang etal., Nat. Commun. 2015, 6, 7510.