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北航蔡仲雨教授在《Chemical Society Reviews》发表光子晶体领域封面文章
上传时间:2021年05月27日      浏览次数:

北航新闻网5月27日电(通讯员 蔡仲雨)近日,前沿院精密仪器与量子传感研究院蔡仲雨教授在国际著名综述期刊Chemical Society Reviews(2019年影响因子为42.846)上在线发表题为“From Colloidal Particles to Photonic Crystals: Advances in Self-Assembly and Their Emerging Applications”的综述文章,并被选为当期的封面文章。北航作为第一单位,蔡仲雨教授为文章第一作者和通讯作者,新加坡科技研究局(A*STAR)下属材料研究与工程研究院(IMRE)首席科学家JinghuaTeng博士为共同通讯作者,法国国家研究中心Serge Ravaine教授、中科院化学所宋延林教授和加州大学(Riverside) Yadong Yin教授等为论文重要参与作者。

光子晶体(PhotonicCrystals)是一类由介质周期性排列构成的光学结构,其显著特征是具有光子禁带(Photonic Bandgap, PBG),特定波长的光在光子禁带内不能够传播。由于光子禁带的存在,光子晶体具有出色的光子操控性能。除此之外,光子晶体还具有慢光效应、光子局域、超棱镜效应、负折射效应、自准直效应、拓扑光子态等物理特性。这个特性被用来制备光波导,光开关,滤波器,低阈值激光等高性能的光学器件。未来可望开发成光子计算机和光子传感器,被用于量子传感和量子计算等领域。此外,多孔结构的光子晶体也被广泛应用于超材料、隐身材料、光学传感、环境以及储能等领域。因此,光子晶体引起了科学界的广泛兴趣,1998年和1999年,与光子晶体相关的研究两度被《Science》评为当年世界上“十大科学进展”,同时也被《Science》预测为未来六大研究热点之一。2006年,《Science》又再一次将光子晶体评为未来的自然科学领域热点。

图1.(a)光刻法制备的多晶硅光子晶体; (b)全息光刻法制备的聚合物光子晶体;(c)激光直写法制备三维光子晶体;胶体自组装制备(d)金刚石机构光子晶体;(e)蛋白(澳宝)石结构光子晶体; (f)反蛋白(澳宝)石结构光子晶体.

然而,如何高效率制备高品质光子晶体是其广泛应用的一大挑战。常用的方法有“自上而下”的半导体加工的方法以及“自下而上”的胶体自组装方法。“自上而下”方法虽然可以控制其结构以达到极少的缺陷,但是通常难以实现复杂光子晶体结构,且成本非常高(图1a-c)。因此,科学家通常探索采用成本较低,操作简便的“自下而上”的胶体自组装方法制备复杂的光子晶体(图1d-f)。但是胶体自组装在大面积制备以及光子晶体品质等方法存在诸多挑战,各种缺陷(裂纹、点线面缺陷等)的存在,大大限制了其广泛应用。

图2.胶体补丁颗粒自组装制备胶体金刚石光子晶体。(a)合成胶体簇;(b)合成四面体结构DNA功能化补丁颗粒;(c)胶体融合制备四面体补丁颗粒;(d)合成四面体压缩簇;(e)四面体部分压缩簇;胶体金刚石共聚焦显微镜照片(f) 111面;(g)110面;(h)四面体部分压缩簇自组装得到的胶体金刚石光子晶体.

为了实现光子晶体的广泛应用,科学家近年来纷纷投身于研究采用“自下而上”的胶体自组装方法制备光子晶体。制备高品质大面积光子晶体以及各种结构的光子晶体成为近年来的研究热点。该文章介绍了从胶体晶体组成单元出发,首次分析了光子晶体生长过程中各种缺陷及其形成的可能机理,揭示了制备高品质光子晶体可采用的几种策略,然后介绍和总结了制备各种结构的光子晶体的自组装方法,这些结构包括传统的面心立方结构的澳宝石(Opals)和反澳宝石(Inverse Opals),体心立方结构,金刚石结构以及Pyrochlore结构的光子晶体(图2)。此外,本文还对各种图案化和球形光子晶体的制备方法也进行了综述。

图3.几种制备高品质光子晶体的策略。

此外,通过总结和归纳,该文章还从理论的角度出发,提出了一套切实可用的理论,用于指导开发各种先进的自组装方法制备高品质光子晶体,即通过调节胶体悬浮液化学,定制化自组装基板性质以及操控薄膜干燥机理等手段,实现高品质大面积光子晶体的制备(图3)。

图4.反蛋白石结构的硅光子晶体(a)2层;(b)4层;(c) 16层;(d)切面结构显示出(100)晶面;(e)活性离子蚀刻得到(111)晶面;(f)活性离子蚀刻得到(100)晶面。

依据这几种机理,科学家们开发出了各种自组装方法。该文章详细介绍了多种自组装方法及其应用领域,比如共组装、气-液界面自组装、原子层沉积、化学气相沉积、DNA介导自组装、微流控辅助的自组装等方法,同时分析了各种方法的优点和缺点。比如,图4是由自组装方法制备的大面积高品质的基于硅的光子晶体,可以在光子通讯领域得到广泛应用。

图5.球形光子晶体的生物医学应用(a)免疫测定; (b)DNA识别;(c)离子传感; (d)细胞培养; (e)多种细胞捕获和检测; (f)药物筛选。

此外,该综述还详细介绍了基于这些先进的自组装方法制备的大面积和高品质光子晶体的一些最新的应用。这些应用包括超表面、超材料、显示、传感、疾病诊断、生物医学工程等领域。图5是球形光子晶体在生物医学领域的应用,可以应用在免疫测定、DNA识别、离子传感以及药物筛选等领域。该文章对于胶体自组装制备高品质光子晶体的机遇和挑战提出了展望。

蔡仲雨教授长期致力于光子晶体自组装及其在环境和健康领域的研发与应用。在光子晶体制备,光子晶体传感器,光子光催化以及胶体颗粒工程等领域取得了一系列成果,近几年在Chemical Society Reviews,Angewandte Chemie International Edition, Chemical Science, Biomaterials,Journal of Materials Chemistry A等国际知名学术期刊发表SCI研究论文30余篇。以上研究得到了国家自然科学基金(项目号:22076008)、青年学者项目和高校基本科研业务费的资助。

Chemical Society Reviews收录于英国皇家化学学会(Royal Society of Chemistry),属于国际顶级期刊。2020年即时影响因子(2021年4月)达到52.7,是世界化学化工以及材料学科领域公认的最具影响力和权威性的三大综述性学术期刊之一,其发表的论文对相关领域的发展具有重要的引领作用和指导意义。

论文链接

(审核:王菲)

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