北航蔡仲雨教授在《Chem. Soc. Rev.》發表光子晶體領域封面文章

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2021年6月7日 10:27

近日，北京航空航天大學前沿院精密儀器與量子傳感研究院蔡仲雨教授在國際著名綜述期刊Chemical Society Reviews（2019年影響因子為42.846）上在線發表題為“From Colloidal Particles to Photonic Crystals: Advances in Self-Assembly and Their Emerging Applications”的綜述文章，并被選為當期的封面文章。北航作為第一單位，蔡仲雨教授為文章第一作者和通訊作者，新加坡科技研究局（A*STAR）下屬材料研究與工程研究院（IMRE）首席科學家滕京華博士為共同通訊作者，法國國家研究中心Serge Ravaine教授、中科院化學所宋延林教授和加州大學(Riverside) 殷亞東教授等為論文重要參與作者。

北航蔡仲雨教授在《Chem. Soc. Rev.》發表光子晶體領域封面文章的圖1

光子晶體(PhotonicCrystals)是一類由介質周期性排列構成的光學結構，其顯著特征是具有光子禁帶（Photonic Bandgap, PBG），特定波長的光在光子禁帶內不能夠傳播。由于光子禁帶的存在，光子晶體具有出色的光子操控性能。除此之外，光子晶體還具有慢光效應、光子局域、超棱鏡效應、負折射效應、自準直效應、拓撲光子態等物理特性。這個特性被用來制備光波導，光開關，濾波器，低閾值激光等高性能的光學器件。未來可望開發成光子計算機和光子傳感器，被用于量子傳感和量子計算等領域。此外，多孔結構的光子晶體也被廣泛應用于超材料、隱身材料、光學傳感、環境以及儲能等領域。因此，光子晶體引起了科學界的廣泛興趣，1998年和1999年，與光子晶體相關的研究兩度被《Science》評為當年世界上“十大科學進展”，同時也被《Science》預測為未來六大研究熱點之一。2006年，《Science》又再一次將光子晶體評為未來的自然科學領域熱點。

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圖1.(a)光刻法制備的多晶硅光子晶體; (b)全息光刻法制備的聚合物光子晶體；(c)激光直寫法制備三維光子晶體;膠體自組裝制備(d)金剛石機構光子晶體;(e)蛋白（澳寶）石結構光子晶體; (f)反蛋白（澳寶）石結構光子晶體.

然而，如何高效率制備高品質光子晶體是其廣泛應用的一大挑戰。常用的方法有“自上而下”的半導體加工的方法以及“自下而上”的膠體自組裝方法。“自上而下”方法雖然可以控制其結構以達到極少的缺陷，但是通常難以實現復雜光子晶體結構，且成本非常高（圖1a-c）。因此，科學家通常探索采用成本較低，操作簡便的“自下而上”的膠體自組裝方法制備復雜的光子晶體（圖1d-f）。但是膠體自組裝在大面積制備以及光子晶體品質等方法存在諸多挑戰，各種缺陷（裂紋、點線面缺陷等）的存在，大大限制了其廣泛應用。

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圖2.膠體補丁顆粒自組裝制備膠體金剛石光子晶體。(a)合成膠體簇；(b)合成四面體結構DNA功能化補丁顆粒；(c)膠體融合制備四面體補丁顆粒；(d)合成四面體壓縮簇；(e)四面體部分壓縮簇；膠體金剛石共聚焦顯微鏡照片(f) 111面；(g)110面；(h)四面體部分壓縮簇自組裝得到的膠體金剛石光子晶體.

為了實現光子晶體的廣泛應用，科學家近年來紛紛投身于研究采用“自下而上”的膠體自組裝方法制備光子晶體。制備高品質大面積光子晶體以及各種結構的光子晶體成為近年來的研究熱點。該文章介紹了從膠體晶體組成單元出發，首次分析了光子晶體生長過程中各種缺陷及其形成的可能機理，揭示了制備高品質光子晶體可采用的幾種策略，然后介紹和總結了制備各種結構的光子晶體的自組裝方法，這些結構包括傳統的面心立方結構的澳寶石（Opals）和反澳寶石（Inverse Opals），體心立方結構，金剛石結構以及Pyrochlore結構的光子晶體(圖2)。此外，本文還對各種圖案化和球形光子晶體的制備方法也進行了綜述。

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圖3.幾種制備高品質光子晶體的策略。

此外，通過總結和歸納，該文章還從理論的角度出發，提出了一套切實可用的理論，用于指導開發各種先進的自組裝方法制備高品質光子晶體，即通過調節膠體懸浮液化學，定制化自組裝基板性質以及操控薄膜干燥機理等手段，實現高品質大面積光子晶體的制備（圖3）。

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圖4.反蛋白石結構的硅光子晶體(a)2層；(b)4層；(c) 16層；(d)切面結構顯示出（100）晶面；(e)活性離子蝕刻得到（111）晶面；(f)活性離子蝕刻得到（100）晶面。

依據這幾種機理，科學家們開發出了各種自組裝方法。該文章詳細介紹了多種自組裝方法及其應用領域，比如共組裝、氣-液界面自組裝、原子層沉積、化學氣相沉積、DNA介導自組裝、微流控輔助的自組裝等方法，同時分析了各種方法的優點和缺點。比如，圖4是由自組裝方法制備的大面積高品質的基于硅的光子晶體，可以在光子通訊領域得到廣泛應用。

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圖5.球形光子晶體的生物醫學應用(a)免疫測定; (b)DNA識別;(c)離子傳感; (d)細胞培養; (e)多種細胞捕獲和檢測; (f)藥物篩選。

此外，該綜述還詳細介紹了基于這些先進的自組裝方法制備的大面積和高品質光子晶體的一些最新的應用。這些應用包括超表面、超材料、顯示、傳感、疾病診斷、生物醫學工程等領域。圖5是球形光子晶體在生物醫學領域的應用，可以應用在免疫測定、DNA識別、離子傳感以及藥物篩選等領域。該文章對于膠體自組裝制備高品質光子晶體的機遇和挑戰提出了展望。

蔡仲雨教授長期致力于光子晶體自組裝及其在環境和健康領域的研發與應用。在光子晶體制備，光子晶體傳感器，光子光催化以及膠體顆粒工程等領域取得了一系列成果，近幾年在Chemical Society Reviews,Angewandte Chemie International Edition, Chemical Science, Biomaterials,Journal of Materials Chemistry A等國際知名學術期刊發表SCI研究論文30余篇。以上研究得到了國家自然科學基金（項目號：22076008）、青年學者項目和高校基本科研業務費的資助。

Chemical Society Reviews收錄于英國皇家化學學會(Royal Society of Chemistry)，屬于國際頂級期刊。2020年即時影響因子（2021年4月）達到52.7，是世界化學化工以及材料學科領域公認的最具影響力和權威性的三大綜述性學術期刊之一，其發表的論文對相關領域的發展具有重要的引領作用和指導意義。

論文鏈接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/cs/d0cs00706d/unauth#!divAbstract

來源：北京航空航天大學

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