[论文解读] Colloidal Laves phases as precursors of photonic crystals

Guido Avvisati, Marjolein Dijkstra|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2016

Photonic Crystals and Applications被引用 4

一句话总结

本文提出使用胶体Laves相，特别是硬球与四聚体二元混合物中的MgCu2相，作为可见光谱范围内具有光子带隙的光子晶体的前体。通过数值相图计算，确定了液相-Laves相共存区域较大，表明在实验上可行的自组装路径。

ABSTRACT

A considerable amount of research in the colloidal science community deals with the design and fabrication of crystalline phases to be employed as photonic crystals. Here, we propose a novel route to the fabrication of colloidal Laves phases, which can be used as precursors of photonic bandgap structures. We numerically calculate the phase diagram of a binary mixture of hard spheres and hard tetramers, and focus on the stability of the MgCu2 Laves phase. Our findings show a relatively large coexistence region between the fluid and the Laves phase which is potentially accessible by experiments, uncovering a new self-assembly path towards a photonic structure with a band gap in the visible region.

研究动机与目标

• 探索使用胶体Laves相作为前体的新型光子晶体自组装路径。
• 在硬球与四聚体的二元混合物中识别出稳定的Laves相，以用于潜在的光子应用。
• 确定相图中MgCu2 Laves相与液相共存的实验可实现区域。
• 评估通过此新颖途径在可见光范围内形成光子带隙结构的可行性。

提出的方法

• 使用统计力学模型，对硬球与硬四聚体的二元混合物的相图进行数值计算。
• 应用吉布斯自由能计算，确定MgCu2 Laves相相对于其他相的稳定性。
• 利用蒙特卡洛模拟探索液相与Laves相之间的相平衡及共存区域。
• 分析有利于MgCu2 Laves相形成的结构与热力学条件。
• 识别出Laves相稳定且与液相共存的组成与密度范围。
• 基于预测的晶体结构与晶格参数，评估其光子带隙潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 MgCu2 Laves相是否可在硬球与四聚体的二元胶体体系中稳定存在？
• RQ2 该体系中液相与Laves相的共存区域范围有多大？
• RQ3 在实际条件下，Laves相的形成路径是否具有实验可实现性？
• RQ4 Laves相结构是否支持可见光范围内的光子带隙？
• RQ5 该自组装机制是否可作为制备光子晶体的可行途径？

主要发现

• 在硬球与四聚体的二元混合物中，液相与MgCu2 Laves相之间存在相对较大的共存区域。
• Laves相在一系列组成与密度范围内具有热力学稳定性，表明具有实验可行性。
• 该共存区域处于可在胶体实验中实现的条件范围内。
• 预测的Laves相结构具有周期性排列，适合在可见光谱范围内形成光子带隙。
• 该体系为实现可见光范围内具有带隙的光子晶体提供了新颖的自组装路径。