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复杂流体之“胶体晶体研究进展”

(2009-09-18 03:59:30)
标签:

胶体晶体

光通讯

非线性光学

晶体

红外吸收

光学材料

教育

(注:此博文的作者是:范春珍、黄吉平。范春珍是本组在读博士生。)
 
什么是胶体晶体?如果知道什么是原子晶体,就很好理解什么是胶体晶体了。
把通常的原子晶体中间的原子全部换为微米尺度或亚微米尺度的颗粒,这个系统也就是一种胶体晶体了。
通俗一点说,胶体晶体就是指这些远大于离子或原子的大颗粒周期性地聚集在一处(例如下面的示意图)。
自然界中就有许多这样的胶体晶体,例如人皆向往的宝石;当然,胶体晶体也可以人工制备,当前,
已有不少方法被报道,例如模板沉积法等等。
 
近年来,胶体晶体之所以收到国际学术界的广泛关注,最主要有两个原因:

复杂流体之“胶体晶体研究进展”
 
第一个原因,胶体晶体因其具有周期性结构,而具有能隙,也就是它们可以作为光子晶体来使用。
这个能隙有什么意义?意义大了去了。当入射光的频率处于这个能隙内时,这些光会被反射回来,
这也就是为什么宝石有各种各样颜色的缘故,——因为它们有固定的能隙,把特定波长的光反射回头了。
如果换个角度应用这些能隙的话,那么,胶体晶体还可以用于调制电磁波的输运,例如实现负折射等。
太神奇了!

第二个原因,人们可以以胶体晶体为模型系统研究晶体的生长和熔化。要知道,通常的原子晶体
的成核、生长和熔化一直是晶体学里面关注的大课题,不少问题至今悬而未决,然而,
鉴于通常的原子晶体的最小结构单元(即离子或原子)无法在光学显微镜下直接观察到,
而胶体晶体则没有这个问题,它的构成单元可以被光学显微镜直接观察到,所以,胶体晶体也就自然
成为一个非常典型的模型系统,用于研究晶体的成核、生长与熔化。

制备胶体晶体的方法很多。我们首次实验论证了[1]一种用高分子调制生成的胶体晶体,
生长这种胶体晶体时需要三个主要组分:聚合物刷、颗粒、自由聚合物。我们实验上
通过调节自由聚合物和颗粒的比例,比较方便的制备出具有不同周期性结构的胶体晶体,特别值得一提的是,
我们实验上看到了体心四方晶格(BCTlattice)的结构。这个制备方法最初是由南京大学物理系
马余强教授课题组在2006年通过计算机模拟提出来的。

最近两年,我们理论研究了胶体晶体的非线性光学响应。我们主要关注它们的非线性光学极化率,
我们计算结果表明[2,3,4],通过调节胶体晶体的结构,它们的光学吸收峰可以向波长较大的区域移动,
这为实现红外吸收提供了一个有用的启示(注:红外吸收在军事和民用皆有很大用途!);并且,
我们还发现,通过调节系统的微结构,可以使得非线性光学极化率增强几个数量级。要知道,
非线性光学材料是光电信息领域所需的关键材料之一, 我们的研究结果表明,胶体晶体在一定的条件下,
也可以作为新型的非线性光学材料,它们可应用于光通讯、电光调制器、光开关、
频率转换装置等方面。当然,这些多是潜在的应用价值,离真正的应用,还有很长的一段路要走,
让我们继续努力!
 
相关论文:

[1] C.R. Han, J.G. Cao, L.W. Zhou, X.C. Pang, J.L. Huang, L.F. Zhang, J.P. Huang, Phys. Lett. A 373, 3174 (2009); 或直接点击下载:http://www.physics.fudan.edu.cn/tps/people/jphuang/Mypapers/PLA-6.pdf
 
[2] J.P. Huang, Y.C. Jian, C.Z. Fan, and K.W. Yu, J. Phys. Chem. C 112, 621 (2008); 或直接点击下载:http://www.physics.fudan.edu.cn/tps/people/jphuang/Mypapers/JPCC-2.pdf

[3] L.F. Zhang, J.P. Huang, and K.W. Yu, Appl. Phys. Lett. 92, 091907 (2008); 或直接点击下载:http://www.physics.fudan.edu.cn/tps/people/jphuang/Mypapers/APL-6.pdf

[4] C.Z. Fan, J.P. Huang, and K.W. Yu, J. Phys. Chem. C (正在出版之中, 2009).
 
注:该研究得到了国家自然科学基金委的项目资助,编号为:10604014和10874025.

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