TWI457586B - 一種雙穩態光子晶體 - Google Patents

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Chia Tsung Chan
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Description

一種雙穩態光子晶體
本發明係關於一種雙穩態光子晶體，特別係關於一種可以在無需外部能量消耗前提下可以維持兩種穩定狀態之一的光子晶體。
光子晶體為具有周期性折射率的奈米結構，可以改變光的傳遞，為習知業界引頸期盼能廣泛應用於未來光通訊、顯示器與光計算機的最新科技。目前光子晶體技術發展主要在於其製造以及驅動調變的方式，傳統光子晶體變色技術主要利用電化學方式，藉由材料折射率受化學溶劑膨脹而改變，因而產生顏色變化。然而，習知光子晶體之調控技術受限於液體擴散速度(~10-3 m/s)與材料限制，難以同時兼具快速反應時間與大幅度的顏色變化，因而限制光子晶體的廣泛應用。
此外，習知可變光子晶體確實在提供寬波長調變範圍或是快速反應時間的其中一方面得到成功的驗證，其中有些習知光子晶體利用膨脹或收縮彈性高分子，亦或以磁力改變週期性的方式來達到10奈米以上的調變範圍，然而這些習知光子晶體因涉及流體傳輸機制而至少需要1秒鐘以上之反應時間。相反地，習知具有10毫秒以下反應時間的光子晶體，其具有以電力操控非等向材料的機制，而材料的非等向性卻將波長調變範圍限制在2奈米以下。因此，習知技術實際上未曾出現一個可變光子晶體能同時兼具寬波長調變範圍與快速反應時間。
有鑑於此，發展一種可以兼具寬波長調變範圍及快速反應時間之光子晶體，同時亦可以在無需外部能量消耗的前提下維持一穩定狀態，則成為了本技術領域所迫切面臨之課題。
有鑑於此，本發明之一範疇在於提供一種雙穩態光子晶體，光子晶體具有複數個孔洞，每一孔洞表面均具有一疏水層。當光子晶體浸入一預定液體時，光子晶體具有一第一穩態及一第二穩態，其中第一穩態係使預定液體充滿於光子晶體之複數個孔洞，而第二穩態係使預定液體排除於光子晶體之複數個孔洞之外。
根據一具體實施例，本發明光子晶體具有一表面，第一穩態係藉由將一第一液體塗佈於光子晶體之表面，以使預定液體充滿於表面下光子晶體之複數個孔洞，而第一液體之表面張力係小於預定液體之表面張力。此外，第二穩態係藉由將一第二液體塗佈於光子晶體之表面，以使預定液體排除於表面下光子晶體之複數個孔洞之外，而第二液體之表面張力係大於預定液體之表面張力。
此外，於實際應用上，預定液體可以是一重量百分比濃度為30%之乙醇水溶液，第一液體可以是一重量百分比濃度為99.5%之乙醇水溶液，而第二液體可以是一純水。
綜合上述，本發明光子晶體乃藉由置換不同液體所產生的毛細力變化，以液體的雙向流動位移來置換光子晶體之孔洞中液體所占的空間比例，藉由改變複數個孔洞之等效折射率，以使光子晶體之反射及穿透光譜改變，得以快速與大幅改變光子晶體的顏色。再者，由於本發明光子晶體之第一穩態及一第二穩態間的能量障礙，本發明光子晶體可以在無需外部能量消耗的前提下維持任一穩態。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
請參閱圖一及圖二。圖一係繪示本發明光子晶體塗佈第一液體之示意圖，圖二係繪示本發明光子晶體塗佈第二液體之示意圖。本發明提供一種雙穩態光子晶體10，其具有複數個孔洞12，每一孔洞12表面均具有一疏水層14。當光子晶體10浸入一預定液體18時，光子晶體10具有一第一穩態及一第二穩態，其中第一穩態係使預定液體18充滿於光子晶體10之複數個孔洞12，而第二穩態係使預定液體18排除於光子晶體10之複數個孔洞12之外。
根據一具體實施例，本發明光子晶體10具有一表面16，第一穩態係藉由將一第一液體20塗佈於光子晶體10之表面16(如圖一所示)，以使預定液體18充滿於表面16下光子晶體10之複數個孔洞12，其中第一液體20之表面張力係小於預定液體18之表面張力。此外，第二穩態係藉由將一第二液體22塗佈於光子晶體10之表面16(如圖二所示)，以使預定液體18排除於表面16下光子晶體10之複數個孔洞12之外，其中第二液體22之表面張力係大於預定液體18之表面張力。
根據本發明之一具體實施例，本發明所採用之預定液體18、第一液體20及第二液體22可以是一極性(Polar)液體或是一非極性(Nonpolar)液體，例如可以是水(Water)、醇類(Alcohols)、膠體(Colloids)、介面活性劑(Surfactants)或離子液體(Ionic Liquids)等。此外，預定液體18、第一液體20及第二液體22可以分別是具有不同重量百分比濃度之一二元混合液體或是一醇水混合液體。
於實際應用上，本發明以下採用預定液體18是一重量百分比濃度為30%之乙醇水溶液、第一液體20是一重量百分比濃度為99.5%之乙醇水溶液及第二液體22是一純水，藉以說明本發明光子晶體10處於第一穩態或第二穩態的工作原理。
請再參閱圖一。首先，將孔洞12中含有氣體之光子晶體10浸入30%之乙醇水溶液；接著，將光子晶體10之表面16塗佈一薄層99.5%之乙醇水溶液；之後，低表面張力之99.5%乙醇水溶液自動引發毛細吸引將30%之乙醇水溶液吸入光子晶體10；再者，30%之乙醇水溶液將進行擴散及濃度平衡；最後，使得光子晶體10之孔洞12充滿30%之乙醇水溶液，亦即光子晶體10處於第一穩態。
請再參閱圖二。首先，將光子晶體10之表面16塗佈一薄層純水；接著，高表面張力之純水擴散進入光子晶體10內部及濃度平衡；之後，光子晶體10內部水含量增加導致表面張力增加，自動引發毛細斥力將30%之乙醇水溶液排出光子晶體10之孔洞12外；最後，使得光子晶體10之孔洞12充滿氣體，亦即光子晶體10處於第二穩態。
有鑒於光子晶體10之複數個孔洞12中預定液體18所占之空間比例變動，亦將導致光子晶體10之孔洞12的折射率改變，進而造成光子晶體10之顏色變化。再者，由於第一穩態及第二穩態間的能量障礙，本發明光子晶體10可以在無需外部能量消耗的前提下維持任一穩態。
請參閱圖三，圖三係繪示本發明光子晶體於掃描式電子顯微鏡之剖面圖。於實際應用上，本發明光子晶體10係為一多孔矽光子晶體(Porous Silicon-based Photonic Crystal)，然本發明所應用之光子晶體10並不限於以矽為基底之光子晶體，其可以是由一矽基材或一高分子材料或一半導體材料所備製，例如光子晶體可以由矽(Silicon)、二氧化矽(Silicon Dioxide)、氮化矽(Silicon Nitride)、二氧化鈦(Titanium Oxide)、光阻(Photoresist)、聚苯乙烯(Polystyrene,PS)或聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate,PMMA,Acrylic)所備製。此外，本發明光子晶體10係具有複數個孔洞12，而每一孔洞12可以是一奈米尺度之孔洞，例如可以是十奈米孔徑之孔洞。再者，本發明光子晶體10可以是一種具有不同孔洞密度層交錯之多孔矽光子晶體。於實際應用上，多孔矽光子晶體10可以是一具有五又二分之一不同孔洞密度層交錯之多孔矽光子晶體(如圖三所示)。本發明光子晶體10在不同液體或不同液體組成下，能在可見光譜範圍內調變，其所使用之液體為可以介於在乙醇水溶液之重量百分比濃度於0%至99.5%之間，光譜變化範圍介於400nm至700nm之間。
於實際應用上，本發明光子晶體10之孔洞12表面之疏水層14係利用分子氣相沉積製程(Molecular Vapor Deposition Process)以將全氟十二烷基三氯矽烷之自組裝單分子層(heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyltrichlorosilane self-assembled monolayer)形成於每一孔洞12之表面。
請參閱表一，表一係繪示光子晶體變色技術之比較表。由表一可知，相較於習知電化學溶劑膨脹之光子晶體變色技術，本發明光子晶體無論是在驅動力、尺度效應、反應時間、折射率變化方式、光子晶體材料限制、光子晶體形狀限制、應用範圍以及維持穩態耗能上，均有相對較佳的表現。
相較於習知技術，本發明光子晶體乃藉由置換不同液體所產生的毛細力變化，以液體的雙向流動位移來置換光子晶體之孔洞中液體所占的空間比例，藉由改變複數個孔洞之等效折射率，以使光子晶體之反射及穿透光譜改變，得以快速與大幅改變光子晶體的顏色。再者，由於第一穩態及第二穩態間的能量障礙，本發明光子晶體可以在無需外部能量消耗的前提下維持任一穩態。此外，本發明光子晶體以液體與氣體置換調變折射率，突破習知技術單純只調變固體或液體的概念。再者，本發明光子晶體以奈米尺度下的毛細壓力作為驅動力，其效果將百 倍於大氣壓力。最後，本發明光子晶體成功將單分子疏水層塗佈於光子晶體之內部孔洞表面，同時並可調控液體雙向流動於僅十奈米直徑、達五百奈米深的孔洞。
綜上所述，本發明是目前唯一兼具快速反應時間與大幅度顏色變化並在不耗能前提下維持穩態的光子晶體。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。因此，本發明所申請之專利範圍的範疇應根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。
10‧‧‧光子晶體
12‧‧‧孔洞
14‧‧‧疏水層
16‧‧‧表面
18‧‧‧預定液體
20‧‧‧第一液體
22‧‧‧第二液體
圖一係繪示本發明光子晶體塗佈第一液體之示意圖
圖二係繪示本發明光子晶體塗佈第二液體之示意圖。
圖三係繪示本發明光子晶體於掃描式電子顯微鏡之剖面圖。
10．．．光子晶體
12．．．孔洞
14．．．疏水層
16．．．表面
18．．．預定液體
20．．．第一液體

Claims (13)

  1. 一種雙穩態光子晶體(Photonic Crystal)，該光子晶體具有複數個孔洞，每一孔洞表面均具有一疏水層，當該光子晶體浸入一預定液體時，該光子晶體具有一第一穩態及一第二穩態，其中該第一穩態係使該預定液體充滿於該光子晶體之該複數個孔洞，該光子晶體具有一表面，該第一穩態係藉由將一第一液體塗佈於該光子晶體之該表面，以使該預定液體充滿於該表面下該光子晶體之該複數個孔洞，而該第一液體之表面張力係小於該預定液體之表面張力，該第二穩態係使該預定液體排除於該光子晶體之該複數個孔洞之外。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光子晶體，其中該第二穩態係藉由將一第二液體塗佈於該光子晶體之該表面，以使該預定液體排除於該表面下該光子晶體之該複數個孔洞之外，而該第二液體之表面張力係大於該預定液體之表面張力。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之光子晶體，其中該預定液體、該第一液體及該第二液體可以分別是具有不同重量百分比濃度之一二元混合液體。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之光子晶體，其中該預定液體、該第一液體及該第二液體可以分別是具有不同重量百分比濃度之一醇水混合液體。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之光子晶體，其中該預定液體可以 是一重量百分比濃度為30%之乙醇水溶液，該第一液體可以是一重量百分比濃度為99.5%之乙醇水溶液，該第二液體可以是一純水。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之光子晶體，其中每一孔洞係為一奈米尺度之孔洞。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之光子晶體，其中該疏水層為一全氟十二烷基三氯矽烷之自組裝單分子層(heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyltrichlorosilane self-assembled monolayer)。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之光子晶體，其中該全氟十二烷基三氯矽烷之自組裝單分子層係利用一分子氣相沉積製程(Molecular Vapor Deposition Process)形成於每一孔洞之表面。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之光子晶體，其中該光子晶體為一多孔矽光子晶體(Porous Silicon-based Photonic Crystal)。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之光子晶體，其中該預定液體、第一液體及該第二液體可以是一極性(Polar)液體或是一非極性(Nonpolar)液體。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之光子晶體，其中該預定液體、第一液體及該第二液體可以是水(Water)、醇類(Alcohols)、膠體(Colloids)、介面活性劑(Surfactants)或離子液體(Ionic Liquids)。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之光子晶體，其中該光子晶體係由一矽基材料或一高分子材料或一半導體材料所製備。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之光子晶體，其中該光子晶體係由矽(Silicon)、二氧化矽(Silicon Dioxide)、氮化矽(Silicon Nitride)、二氧化鈦(Titanium Oxide)、光阻(Photoresist)、聚苯乙烯(Polystyrene,PS)或聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate,PMMA,Acrylic)所製備。
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