复合结构胶体光子晶体协同自组装机理研究及其应用

搭建胶体光子晶体自组装精密控制及实时观测系统，研究协同自组装胶体光子晶体的动力学。观测精确控制的不同生长条件下胶体小球的运动规律、液面蒸发速率、结晶速率等因素对光子晶体质量的影响。观测协同自组装过程中，不同材料、不同尺寸的胶体颗粒之间的相互作用。结合流体力学和统计物理模拟计算，深入研究光子晶体的生长机理。在红外辅助协同自组装及控压等压控温生长法基础上，进一步改进生长方法，优化实验条件，提高复合结构胶体光子晶体的生长质量和产率。并且，将这种高质量的胶体光子晶体引入太阳能电池材料中，提高电池的光电转换效率，是一项具有科学意义的应用背景的重要课题。

我们严格按照项目计划展开工作，深入研究光子晶体自组装过程中的动力学过程及其生长机理，发展和改进胶体光子晶体自组装方法，组装高质量的单元胶体光子晶体和复合多元多孔结构的胶体光子晶体，并探索高质量的周期性多孔结构在太阳能电池上的应用。主要创新性研究成果如下：. （1）自主设计并搭建了控温控压下胶体光子晶体自组装实时观测装置，利用该装置精确控制胶体晶体的生长条件并对蒸发诱导的自组装过程进行了系统的实时研究。. （2）为了系统研究三维胶体光子晶体自组装机理，完成了胶体自组装反射谱实时测量装置的搭建和调试，在此基础上，对三维胶体晶体的实时生长过程进行了光学表征，并深入分析光谱性质，提出蒸发诱导胶体自组装的生长机制。. （3）进一步改进和完善胶体自组装反射谱实时测量装置，在简化装置内部光学系统的同时，进一步提高信噪比。利用该装置，系统研究了三维复合胶体光子晶体自组装过程，实时测量获得了不同组装单元和不同化学计量比组装的胶体晶体的光学性质，研究表明蒸发诱导的协同自组装所形成的胶体晶体的微区反射光谱同样符合先前我们发现的一元胶体晶体三阶段的生长机制；同时，不同样品电镜下的表面及截面图所反映出来复合胶体晶体的结构与实时测量的光谱相互对应，揭示了生长高质量复合胶体光子晶体所需的最佳化学计量比。. （4）在胶体光子晶体光学性质的理论计算中，引入在胶体自组装过程中不可避免的两类缺陷--长程缺陷和短程缺陷，通过理论和实验的拟合，分析自组装三个阶段内两类缺陷的演变，同时也为我们调控复合胶体生长、减少缺陷提供理论指导和依据。. （5）发展了一种新的研究蒸发诱导胶体自组装的观测方法，即实时原位CCD观测与反射谱相结合的方法。这种方法有助于更好地理解胶体自组装的生长和干燥过程，特别是裂纹的衍生。在此基础上，提出蒸发诱导自组装过程中裂纹的生长分为三个阶段：裂纹萌生期、裂纹衍生期和裂纹不变期。并在观测过程中发现了一个新的现象：当裂纹开始衍生，反射谱的峰位发生红移。采用小球变形模型和修正后标量波近似（SWA）拟合对这一新现象进行理论研究和解释。. 经过课题组全体成员的共同努力，在项目执行期间，共发表21篇高水平SCI论文，申请专利10项，授权专利9项。培养博士研究生10名，硕士研究生4名；在读博士研究生10名，硕士研究生10名。圆满完成了课题规定的任务。