[发明专利]一种利用量子点金属有机框架QDs@MOFs复合体实现光子晶体的方法

说明书

本发明公开了一种利用量子点金属有机框架(QDs@MOFs)复合体实现光子晶体的方法，其制备方法如下：首先使用三相法、水热法、热注射法等制备出纳米量子点材料。然后使用水热法、热注射法、过饱和结晶法制备出金属有机框架(MOFs)材料。然后使用先合成法或后合成法，将一定尺寸的纳米量子点与特定孔径的金属有机框架(MOFs)结合形成光程周期性变化的复合体光子晶体材料。本发明获得了一种新的三维光子晶体的制备思路，通过对其进行材料选择、尺寸调整、孔径改变，实现光程周期性变化调控，达到从可见光波段至太赫兹波段范围输出波长可选的目的，对于拓宽光子晶体的应用具有重要的价值。

技术领域

本发明属于光电技术领域，具体涉及一种利用量子点金属有机框架(QDs@MOFs)复合体实现光子晶体的方法。

背景技术

光子晶体(Photonic Crystal)是指具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构。实际上就是一种将不同介电常数的介质在空间中按一定周期排列而形成的人造晶体,该排列周期为光波长量级。通常，在半导体材料中,由于周期势场的作用电子会形成能带结构,带与带之间有带隙(如价带与导带),电子的能量如果落在带隙中,就无法继续传播。同理，在光子晶体中,由于介电常数在空间的周期性变化,也存在类似于半导体晶体那样的周期性势场，当介电常数的变化幅度较大且变化周期与光的波长可相比拟时,介质的布拉格散射也会产生带隙,即光子带隙。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，这就是光子晶体的“禁带”。如果光子晶体只在一个方向上具有周期结构,光子禁带只可能出现在这个方向上。如果存在三维的周期结构就有可能出现全方位的光子禁带,落在禁带中的光在任何方向都被禁止传播。据此光子晶体可分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体。

基于光子晶体独特的光学性质，使得它在光子晶体光纤、光子晶体激光器、光子晶体波导和光子晶体反射镜、光开关、光通信等领域有着广泛的应用。

而金属有机框架(Metal Organic Frameworks,MOFs)是由金属离子和有机配体通过自组装形成的具有周期性网状结构的多孔无机——有机杂化材料。通常，根据不同的合成方法和组分单元可以将金属有机框架化合物分为三大类：一是网状型金属有机骨架材料，其中 MOF-5是其代表性结构。二是沸石类咪挫骨架结构材料，简称ZIFs。三是拉瓦锡骨架材料，简称MILs。金属有机框架具有孔径可调、比表面积大、孔隙率高等特点，它的独特性质使之在氢气储存、气体吸附与分离、传感器、药物缓释、催化反应等领域有着重要应用。

量子点(Quantum Dots，QDs)是把激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。因其颗粒尺寸可进入纳米量级，尺寸限域会引起尺寸效应、量子限域效应、表面效应、宏观量子隧道效应等，而展示出许多不同于宏观体材料的物理化学性质，比如：量子点激发光谱宽且连续分布，而发射光谱窄而对称，尺寸可调、颜色可调，光化学稳定性高，荧光寿命长，合成方法多样等。因此，其在半导体器件、生命科学等领域有着可观的应用前景。目前，具有代表性且被广泛研究的量子点有：Ⅱ-Ⅵ族量子点(如：CdSe、CdS等)、Ⅲ-V族量子点(如InP、InAs等)、石墨烯量子点、钙钛矿量子点等。

区别于传统的空气孔光子晶体。金属有机框架是孔径大小可调控的周期性纳米材料。量子点是可以在纳米量级调控尺寸大小的材料，不同尺寸、不同前驱物制备的量子点则具备不同的介电常数和折射率。因此，将纳米量子点和金属有机框架材料用于形成三维光子晶体材料，则具有高表面、可选择性、可调控等优势，可以实现更宽波长范围内的传输与发射。

发明内容

本发明通过将不同尺寸的纳米量子点与特定孔径的有机金属框架(MOFs)结合形成可调控的三维光子晶体复合材料，再将其制备成粉末或薄膜，代替传统光电器件中的光子晶体，实现发射波长的调控。该技术具有材料结构可调控、周期可选择、合成方法多样的优势。可以广泛运用到诸如光子晶体光纤、光子晶体激光器、光子晶体LED等光电器件中。