扫描电镜在光子晶体研究方面的应用

什么是光子晶体

光子晶体（photonic crystal）的概念起源于 1987 年，由科学家 S.John 和 E.Yablonovitch 提出并定义。

光子晶体是一种由不同折射率的介质周期性排列而形成的人工微结构。介电系数在空间上的周期性变化伴随着空间折射率的周期性变化，当介电系数的变化足够大且其变化周期与光波长同步时，光波会产生带状结构，即光子能带结构（photonic band structures）。

频率落在光子能带中的电磁波或光是禁止传播的，于是这些频率的光会被反射出来，成为人们观察到的颜色。被禁止的频率区间就被称为光子频率带隙（photonic band gap），也叫光禁带，人工合成的具有光禁带的物质被称为光子晶体，它的颜色通常被称为光子晶体的结构色（structure color）。

制备光子晶体

制备光子晶体的方法众多，在常温常压下促使单分散的胶体颗粒（尺寸为亚微米或微米）自组装是其中一种。

通过让单分散的胶体颗粒，例如 SiO₂, TiO₂, Fe₃O₄, CeO₂, ZnO, PS 等微球自组装排列成有序阵列来实现介电常数的周期性变化是一个研究热点。由此得到的胶体晶体的光子特性由晶体的对称性，晶格常数及胶体颗粒与周围介质折射率的差异决定。

通常，合成的胶体颗粒直径在 100nm 到 1μm 之间时，制得的胶体晶体的光禁带正好处于可见光区，会呈现出美丽的结构色。

扫描电镜下的光子晶体

首先是光子晶体原材料的表征。对于需要组装的光子晶体，原材料尺寸均匀度，不同尺寸的微球在相同条件下组装，都会显示出不同的结构色。

通过扫描电镜快速筛样，和飞纳电镜自主开发的颗粒统计分析系统可以快速统计出原材料的尺寸，对微球的组装具有指导意义。

图1. 不同前驱体合成微球的 SEM 图像 [1]

图2. 不同颜色的光子晶体膜对应截面微球的 SEM 图（宏观依次表现为红、绿、蓝）[2]

图3. 飞纳电镜颗粒统计分析测量系统

其次，对于光子晶体，其微观结构决定其宏观状态，组装过程中，能够有序组装形成结晶区。

在光学显微镜下，结晶区呈较亮状态，而非晶区较暗。由于光学显微镜与电子显微镜放大倍数相差较大，所以，想获得其微观形貌，传统方法需要通过大量的 SEM 图，手动拼接来对应光学显微镜图像。然而，飞纳电镜开发的自动全景拼图系统能够快速解决这一难题。

图4. SEM 用于表征光子晶体组装状态，区分非晶，晶体部分 [3]

图5. 飞纳电镜自动全景拼图系统

扫描电子显微镜是光子晶体研究中不可缺少的分析仪器，主要用于：原材料的筛选（颗粒尺寸范围，颗粒尺寸统计，快速筛样）和组装过程分析（全景拼图）。飞纳台式电镜操作简单，能够快速获得高质量的图像，多样化可拓展应用可以满足大部分客户的需求。

参考文献

[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.