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基于LB膜技術(shù)制備二氧化硅二維光子晶體薄膜的方法

來源:西京學(xué)院 瀏覽 320 次 發(fā)布時間:2024-07-19

提高無機閃爍體的有效光產(chǎn)額,對提高探測系統(tǒng)的探測效率和靈敏度具有重要意義。目前常用的BGO(Bi14Ge3O12)閃爍體是核物理及高能物理實驗中的首選材料之一,但是由于其折射率較高,閃爍體與空氣界面更容易發(fā)生全內(nèi)反射,使大量閃爍光困于晶體中。當(dāng)外界為真空的情況下,BGO閃爍體表面光提取效率只有5.5%,其有效光產(chǎn)額被大大降低。因此,界面光提取效率的大小直接影響無機閃爍體的有效光產(chǎn)額,從而影響探測系統(tǒng)的粒子探測效率及其靈敏度。如何增強閃爍體的界面光提取效率成為提高現(xiàn)有無機閃爍體有效光產(chǎn)額的關(guān)鍵核心問題。


研究表明,周期性結(jié)構(gòu)的二維光子晶體對無機閃爍體的光提取具有一定增強效果。根據(jù)文獻(xiàn)報道,湘潭大學(xué)于2019年通過理論模擬,計算出在BGO閃爍體表面引入直徑分別為360nm和300nm時單層SiO2微球周期陣列時,閃爍體光提取效率最高,并采用液面自組裝方法,把SiO2微球鋪在液體表面,通過吸管或排水裝置把水放干,在基底上得到有序二維周期陣列,當(dāng)微球直徑為360nm時,最佳光提取增強了53%。相比電子束光刻法和原子層沉積法,液面自組裝方法更容易制備大面積樣品,且成本更低。但是液面自組裝法制備的單層SiO2微球陣列存在局部排列不規(guī)則的缺陷,導(dǎo)致增強BGO閃爍體光提取效率的效果有限。而單層SiO2周期性薄膜缺陷的產(chǎn)生主要是由于微球排列存在一定無序性。


因此,探索一種增強BGO閃爍體光提取效率的二氧化硅有序薄膜制備方法,保證薄膜的良好有序性、制作面積大、價格便宜、可批量化處理、具有非常重要的現(xiàn)實意義。


針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足,提供一種二氧化硅二維光子晶體薄膜及其制備方法和應(yīng)用,通過LB膜技術(shù)制備出有序性良好的二氧化硅薄膜,保證薄膜的良好有序性,可大面積、批量化制作二氧化硅二維光子晶體薄膜,且制備成本低;將其負(fù)載在BGO表面,能夠有效增強BGO閃爍體光提取效率。


一種二氧化硅二維光子晶體薄膜的制備方法,包括以下步驟:


步驟一、將厚度為2μm,尺寸為3cm×6cm的BGO閃爍體晶體垂直插入LB薄膜儀水槽液面下方,埋入待用;

步驟二、將直徑為150nm的羧基化二氧化硅納米顆粒,用乙醇稀釋獲得濃度為25μg/mL的羧基化二氧化硅溶液并在50w功率下超聲5分鐘;


步驟三、采用微量進(jìn)樣器,吸取50μL羧基化二氧化硅溶液,旋轉(zhuǎn)助推器,將溶液滴加在LB薄膜儀空氣-水界面上,靜置5分鐘;在20℃條件下,設(shè)置滑障以5mm/min的速度在空氣-水界面上側(cè)向壓縮界面上的二氧化硅單層膜,形成周期性有序薄膜,當(dāng)單層膜表面壓力壓縮至為24mN/m時,設(shè)置表面壓力恒定,以2mm/min的速度垂直提拉BGO晶體,將二氧化硅有序薄膜轉(zhuǎn)移到BGO晶體表面,得到負(fù)載在BGO閃爍晶體表面的二氧化硅二維光子晶體薄膜。


小結(jié)


采用納米顆粒直徑為150~450nm的二氧化硅,利用LB膜技術(shù),在20℃條件下,以小于25mm/min的速度在空氣?水界面上側(cè)向壓縮單層膜,表面壓力為24~36mN/m時,以0.7~2mm/min的速度垂直提拉單層膜,制備方法簡單、薄膜有序性良好、制作面積大、價格便宜、可批量化處理,適合在工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)實踐中推廣,在BGO表面制備有序性較高的二氧化硅單層薄膜,增強BGO閃爍體光提取效率。