1、 申请代码： A040402 受理部门： 收件日期： 受理编号： 国家自然科学基金 申 请 书 国家自然科学基金 申 请 书 资助类别：国家杰出青年科学基金 亚类说明：国家杰出青年科学基金 附注说明： 项目名称：金属纳米球壳的生长机理及其光学等离激元性质研究 申 请 者：王振林 电话： 025-83592730 依托单位：南京大学 通讯地址：南京大学物理系 邮政编码：210093 单位电话：025-83594532 电子邮件： 申报日期： 2004年3月15日 国家自然科学基金委员会 国家自然科学基金申请书 第 2 页 版本 1.019.254 基本信息基本信息 p5pkD5x1HC 姓名 王
2、振林 性别男 出生年月1965 年 1 月 民 族 汉族 学位 博士 职称教授 主要研究领域有序人工微结构光子材料，金属纳米材料、光子晶体 电话 025-83592730 电子邮件 传真 025-83595535 个 人 网 页 工 作 单 位 南京大学 /固体微结构物理实验室 申 请 者 信 息 申 请 者 信 息 在研项目批准号001CB610,10174031,19704008 名称 南京大学代 码 21000801 联系人 陈卫 电子邮件 依托单位信息 依托单位信息 电话 025-83594532 网站地址 http:/ 单 位 名 称 代 码 合作单位信息 合作单位信息 项目名称 金
3、属纳米球壳的生长机理及其光学等离激元性质研究资助类别 国家杰出青年科学基金 亚 类 说 明国家杰出青年科学基金 附注说明 申请代码 A040402:光在非均匀介质中的传播 A040210:与凝聚态物理有关的交叉学科 基地类别 13608404:固体微结构物理国家重点实验室 国家重点 预计研究年限 2005 年 1 月 2008 年 12 月 研究属性 应用基础研究 项 目 基 本 信 息项 目 基 本 信 息 申请经费 100.0000 万元 摘 要 项目研究内容和意义简介摘 要 项目研究内容和意义简介（限 400 字） ：国际上，将金属纳米材料的表面等离激元（surface plasmon）
4、应用到光学、磁光数据存储、显微镜、太阳能电池及生物传感器方面正受到极大的关注。2003 年 8 月 14 日出版的Nature杂志对此有专题报道。在有关金属纳米材料的应用上，金属纳米球壳有更多的优越性。一个重要特性就是通过控制球壳的内外径之比，可以将表面等离激元的共振频率从可见调谐至“水窗口”的近红外，从而大大地拓宽了金属纳米颗粒的光谱应用范围，这在生物传感领域应用方面尤为重要的。目前，国际上在金属纳米球壳制备和实际应用上所遇到的“瓶颈”问题是：现有的制备方法所获得的金属纳米球壳非常松散，多孔因而极易被破坏。本项目将研究：1）采用非均匀成核对金属纳米种子成核的影响；2）改变材料生长的微区环境对
5、生长驱动力的影响。3）球壳生长过程中表面等离激元的变化特征。我们将开发具有自主知识产权的金属纳米球壳的材料制备技术，并探索其应用。 关 键 词关 键 词(用分号分开，最多 5 个) 纳米材料 等离激元激发 金属纳米球壳 非均匀成核生长 国家自然科学基金申请书 第 3 页 版本 1.019.254 项目组主要成员项目组主要成员(杰出青年科学基金不填此栏) 编号 姓 名 出生年月 性别职 称 学 位 单位名称 电话 电子邮件 项目分工 每年工作时间（月） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 总人数 高级 中级 初级 博士后 博士生 硕士生 1 1 说明: 1. 高级、中级、初级、博士后、博士生、硕
6、士生人员数由申请者负责填报，总人数自动生成。 说明: 2. 项目组主要成员不包括项目申请者。 国家自然科学基金申请书 第 4 页 版本 1.019.254 经费申请表经费申请表 （金额单位：万元） 科目 申请经费 备注（计算依据与说明） 一.研究经费 一.研究经费 74.0000 1.科研业务费 29.0000 （1）测试/计算/分析费 16.0000样品 SEM、HRTEM、FTIR，Raman、XRD、EDX 分析和光学性质的测量 （2）能源/动力费 4.0000 （3）会议费/差旅费 2.0000参加 3-4 次国内学术会议 （4）出版物/文献/信息传播费 6.0000论文版面费，文献和
7、专利查询、学术信息传播 （5）其它 1.0000 2.实验材料费 23.0000 （1）原材料/试剂/药品购置费 20.0000用于购置高平整度衬底、单分散的胶体微球和化学试剂 （2）其它 3.0000消耗物品 3.仪器设备费 17.0000 （1）购置 9.0000在现有的 FTIR 基础上搭建材料的微区光学测量装置 （2）试制 8.0000搭建用于样品的可见/近红外区可变角反射/透射测量装置 4.实验室改装费 5.0000管、路、通风和清洗间改造 5.协作费 二.国际合作与交流费 二.国际合作与交流费 11.0000 1.项目组成员出国合作交流 8.0000参加 2-3 次国际学术会议；与
8、香港、德国等大学的研究组开展合作交流 2.境外专家来华合作交流 3.0000用于邀请在金属纳米材料领域的国外知名学者来我方进行交流访问 三.劳务费 三.劳务费 10.0000 四.管理费 四.管理费 5.0000 合 计 合 计 100.0000 国家其他计划资助经费 0.0000其他经费资助（含部门匹配） 0.0000与本项目相关的 其他经费来源 其他经费来源合计 其他经费来源合计 0.0000 国家自然科学基金申请书 第 5 页 版本 1.019.254 报告正文 报告正文= 目 录 一、简历 6 二、拟开展的研究工作 9 三、经费预算简要说明 14 四、主要学术成绩、创新点及其科学意义
9、15 五、主要论著目录 77 六、论文被收录与引用情况统计表及其清单 84 1. 论文被收录与引用情况统计表 84 2. 所发表论文引用概况 85 3. 所发表论文引用清单 86 七、工作单位的推荐意见 99 八、附件材料目录 101 1. 代表性论文 102 2. 代表性学术评价 103 3. 专利 104 4. 获奖 105 九、附件 国家自然科学基金申请书 第 6 页 版本 1.019.254 一、简历 1、 学习简历 1983.9 1987.7：苏州大学物理系，大学本科 1987.9 1990.6：苏州大学物理系，理学硕士 1993.3 1996.6：南京大学物理系，理学博士 2、 工
10、作简历 1990.7 1993.2：（无锡）江南大学，讲师 1996.7 1998.2：南京大学物理系、固体微结构物理实验室，讲师 1998.3 2003.10：南京大学物理系、固体微结构物理实验室，副教授 2003.11 至 今：南京大学物理系、固体微结构物理实验室，教授，博士生导师 3、 访问研究 1999.3 2000.2：香港科技大学物理系，访问学者 邀请者：陈子亭教授 2001.8 2002.7：美国加利福尼亚大学伯克利分校物理系，访问学者 邀请者：沈元壤教授 2003.7 2003.8：香港科技大学物理系作访问学者 邀请者：陈子亭教授 国家自然科学基金申请书 第 7 页 版本 1.
11、019.254 4、主持参加各类科研项目情况 承担任务 项目来源、名称及经费 起止 时间 完成情况 主持 国家 973 项目子课题（001CB610403） 光子带隙材料的制备及其对非线性光学过程的控制与设计，30 万元 2002.4-2004.7 顺利进行 主持 国家自然科学基金项目（10174031） 复合介质球自组装： 金属介电体超晶格制备与光学性质，12 万元 2002.1-2004.12 顺利进行 主持 国家自然科学基金项目（19704008） 二维周期介电体超晶格非线性光学效应及其机制的研究，9 万元 1998.1-2000.12 完成 参加 国家自然科学基金重点项目（901010
12、30） 新型微结构薄膜波导线性与非线性光学现象及机理的研究，20 万元 2002.1-2004.12 正在进行 参加 国家自然科学基金会/香港研究基金会新材料科学合作研究计划（5001161955） 完整和有缺陷光子晶体的制备和能带计算，10 万元 2001.1-2003.12 完成 参加 九五攀登（95-预-04-03） 微结构晶体的线性、 非线性光学效应及微结构物理研究，2 万元 1998.1-1999.12 完成 参加 南京大学固体微结构物理实验室开放课题 脉冲电场作用下 KTiOPO4 晶体畴反转动力学研究，3 万元 1999.1-2000.12 完成 国家自然科学基金申请书 第 8
13、页 版本 1.019.254 5、获奖情况 获奖名称及等级：南京大学华英文化教育基金（全年资助） 获奖时间：2000 年 排名：个人奖励 国家自然科学基金申请书 第 9 页 版本 1.019.254 二、拟开展的工作 1、立论依据 金属纳米材料的制备和性能研究是当今新材料领域的前沿研究课题。 有关金属纳米颗粒的应用，可以追溯到文艺复兴时期。当时艺术家在熔融的玻璃中掺入少量的贵金属制作教堂上用的彩色玻璃1。1908 年，G. Mie 就提出了所谓的米氏散射理论很好地解释了上述现象2。现在人们知道，金属纳米颗粒在可见光谱区表现出的宽带光吸收特征是由于在电磁场的作用下，费米能级附近导带上的自由电子发
14、生集体振荡，即产生所谓表面等离极元（surface plasmon） ；电磁场的能量被有效地转变为金属中自由电子的集体振动能。 对于金属纳米颗粒，由于等离激元局限在一个很小的区域，使得该区域的电场大大地增强。利用这种强电场效应，可以使得许多光学过程的效率得到显著的提高。金属纳米结构材料在表面喇曼散射技术上的重要应用就是典型的例证。 现在利用这项技术， 甚至能够实现单分子信号的检测3。国际上，将金属纳米材料的表面等离激元应用到光学、磁光数据存储、显微镜、太阳能电池以及生物传感器方面正受到极大的关注4。2003 年 8月 14 日出版的Nature杂志对此有专题报道。 不仅如此，利用彼此靠近的金属
15、纳米颗粒上的等离激元之间的耦合可以实现光波导。与光子晶体波导不同的是，采用这种方法可将导模的横向尺度控制在光衍射极限以下，从而真正实现纳米波导。2003 年，美国加州理工学院的研究组利用这一原理在一个金属纳米点阵上实现了微米传播距离的光波导5。 正如美国斯坦福大学材料科学与工程系 M. L.Brongrtsma 教授所指出的：在有关金属纳米材料的应用上，金属纳米球壳有更多的优越性6。金属纳米球壳除了具有很大的表面积，一个非常重要特性就是通过控制球壳的内外径之比，可以将表面等离激元的共振频率从可见调谐至“水窗口”的近红外，从而大大地拓宽了金属纳米颗粒的光谱应用范围，这在生物领域是尤为重要的6。
16、我们提出这类材料很可能是制备近红外区三维宽带隙光子晶体的理想材料7。 在纳米材料研究领域著名的美国哈佛大学化学系G. M. Whitesides 教授研究组最近报道了他们在金属半球壳制备方面的研究成果8。 国家自然科学基金申请书 第 10 页 版本 1.019.254 目前，制备纳米金属球壳一般采用以介电材料胶体球为支撑内核，通过金属“表面涂层”而获得。国际上已有多种涂层方法在不导电胶体微球的表面生长金属壳9。我们在这方面也积累了相当好的研究基础，并制备出高度有序的金属微结构材料10。 但是，目前国际上在研究金属纳米球壳的实际应用上所遇到的“瓶颈”问题就是：目前所制备的金属纳米球壳松散不致密；
17、在支撑核去除后，球壳极易被破坏。这些问题与金属纳米材料本身各向异性的生长特性有很大的关系。如何发展新的制备方法生长单分散的、致密金属纳米球壳成为这个领域具有挑战性和重要性的一项前沿课题。 参考文献： 1 Nassau, K. The Physics and Chemistry of Colour (Wiley, New York, 2001) 2 Mie, G. Ann. Phys. (Leipzig) 25, 377 (1908). 3 Nie, S. and Emery, S. R. Science 275, 1102 (1997) 4 Barnes, W. L., Dereux, A.
18、and Ebbesen, T. W. Nature 424, 824 (2003). 5 Maier, S. A., et al., Nature Materials 2, 229 (2003). 6 Brongrtsma, M. L. Nature Materials 2, 296 (2003). 7 Wang, Z. L., et al., Phys. Rev. B 64, 113108 (2001). 8 Love, J. C., et al., Nano Lett. 2, 891 (2002). 9 Kaltenpoth, et al., Adv. Mater. 15, 1113 (2
19、003). 10 Chen, Z., Zhan, P., Wang, Z.L., et al., Adv. Mater. 16, 417 (2004). 国家自然科学基金申请书 第 11 页 版本 1.019.254 2、研究内容和拟解决的关键问题 在表面等离激元的应用研究方面，金和银是最为重要的两种材料。本项目将集中研究： 1) 通过胶体微球形成微尺度生长模板， 探索多种介质球表面活性和吸附手段，研究材料生长初期金属纳米种子的形成机理。 2) 研究采用非均匀成核对金属纳米种子成核的影响； 研究通过改变材料生长的微区环境对生长驱动力的影响。 3) 研究生长过程中球壳的形貌演化特征及表面等离激元
20、的变化特征。 建立表面等离激元的共振频率与球壳的尺寸、 球壳内外的介电环境之间的内在联系。 拟解决以下关键问题： （1）如何通过改变金属球壳在衬底上的生长环境，提高金属纳米颗粒的成核几率、降低生长核的临界尺寸、提高金属壳的生长驱动力，从而提高球壳的致密性； （2）建立金属球壳的几何尺寸与等离激元频率的对应关系；研究金属球壳的等离激元频率在球壳生长过程中的演化规律；通过对金属纳米球壳的等离激元频率的实时测量，达到反过来控制球壳生长厚度的目的。 国家自然科学基金申请书 第 12 页 版本 1.019.254 3、本项目的创新之处 针对目前金属纳米涂层方法在制备单分散、致密的金属纳米球壳方面所遇到的
21、挑战，我们提出通过改变球壳生长微区环境和借助非均匀成核等手段，提高种子的成核几率和生长驱动力，从而达到改善金属纳米球壳的致密性和粗糙度的新思路。下图 1 为我们在课题的前期工作中所取得的初步结果，这是直径为 1 微米的银（半）球壳的场发射扫描电镜照片（此结果尚未发表） 。下图 2 为美国哈佛大学的研究组采用电子束蒸发所制备的金属半球壳的扫描电镜照片文献 8，可以看到：我们的初步结果所获得的球壳的致密性和均匀性都有很大的改进。 图 1 金属纳米半球壳 SEM 照片（来自本研究组，尚未发表） 图 2 金属纳米半球壳 SEM 照片 （来自美国哈佛大学 G. M. Whitesides 研究组，参见文
22、献8） 国家自然科学基金申请书 第 13 页 版本 1.019.254 4、年度研究计划及预测进展 1) 200501200512：以单分散二氧化硅和聚苯乙烯胶体微球为支撑核内， 探索多种介质球表面活性和吸附等手段， 研究材料生长初期金属纳米种子的形成机理。 分析纳米金属颗粒在胶体小球表面的分布与生长工艺的关系。 2) 200601200612：研究在介电衬底上实施非均匀成核，研究其对金属纳米种子成核的影响； 通过改变材料生长的微区环境， 研究由此对金属球壳生长形貌的影响；优化生长工艺，提高球壳生长驱动力。 3) 3) 200701200712：研究生长过程中球壳的形貌演化特征、表面等离激元的
23、变化特征。 测量金属纳米球壳的光学吸收； 建立表面等离激元的共振频率与球壳的尺寸、球壳内外的介电环境之间的内在联系。 4) 4) 200801200812：总结相关的研究成果；并申请相关的材料制备和技术发明专利。 5、预期研究成果 1) 在国际和国内核心刊物上发表学术论文 810 篇； 2) 提供有自主知识产权的金属纳米球壳的合成与制备技术； 3) 申请相关的技术发明专利 23 项。 国家自然科学基金申请书 第 14 页 版本 1.019.254 三、经费预算简要说明 在科研业务费部分，在测试/分析/计算方面，计划投入的费用 18 万，主要用于样品的场发射扫描电子显微镜（SEM） 、高分辨透射
24、电镜（HRTEM）的结构分析， 部分经费用于样品的 XRD、EDX 组分分析和 Raman、FTIR、紫外/可见/近红外的光学性质测量。 在实验材料费中有关原材料/试剂/药品购置费部分，计划投入经费 23万。其中 15 万主要用于购置单分散的聚苯乙烯微球和单分散的二氧化硅微球，这些胶体微球是制备金属球壳的模板材料。部分经费用于购买化学试剂和多种高纯度的气体（5 万） 。其它经费用于购买高平整度的石英衬底、硅单晶片、ITO 玻璃衬底等材料。 在仪器设备费部分，投入 17 万元。将购置相关的配件，在现有的 FTIR基础上搭建微区光学测量装置。同时试制用于样品的紫外/可见/近红外光谱区的可变角反射/
25、透射测量装置，包括光源、探测器和相关的光学部件。 在国际合作与交流部分，投入经费 11 万，其中主要用于参加国际学术会议（2-3 次）和开展对外的合作与交流。 国家自然科学基金申请书 第 15 页 版本 1.019.254 四、主要学术成绩、创新点及其科学意义 从 1993 年至今，致力于有序微结构介质材料中光传播特性的研究。努力创新，注重实验研究与理论探索相结合。在光学超晶格、光子晶体材料的设计、制备和光学性能研究方面取得了创新性的研究成果。 申请四项国家发明专利。共发表学术论文 34 篇，其中国际核心期刊（SCI）论文 33 篇，包括 Adv. Mater. 1 篇、Phys. Rev.
26、Lett. 1 篇、Phys. Rev. 6 篇、Appl. Phys. Lett. 1 篇、Langmuir 1 篇等。 统计到 2004 年 2 月，所发表论文被国内外的其他研究组引用次数 177次（不包括自引） 。他引论文分布在 39 种国际学术刊物和一部国外专著上。 1、新技术方面： 1、新技术方面： 研制出一种采用微通道内毛细驱动下的胶体微球自组装技术；成功地制备出大面积的二维、三维胶体晶体。为采用此类晶体作为模板制备有序结构纳米材料提供了一项可靠的实验技术。 研制出一种将胶体晶体与溶液中微球表面金属“涂层”相结合、制备金属/介电有序微结构材料的实验技术。 研制出熔盐法生长的 KTi
27、PO4晶体的脉冲电场室温极化技术。 为研究此类材料在准位相配匹上的应用提供了关键技术。 发展和完善了采用全息及热固定工艺在具有光折变效应的材料中制备二维光学超晶格的实验技术。 2、新材料方面： 2、新材料方面： 成功地制备出由金属球壳构成的二维和三维结构纳米材料。这种材料可应用于 Raman 散射测量中的衬底、光子晶体和反应催化等领域。 研制出两种结构（面心立方和简立方）微波段宽带隙金属/介电型光子晶体。 采用脉冲电场室温极化技术制备出具有准周期畴结构的一维非线性KTP 光学超晶格。 国家自然科学基金申请书 第 16 页 版本 1.019.254 3、新原理方面： 3、新原理方面： 建立了克尔
28、非线性二维光学超晶格中非线性四波动力学理论的一般形式；预见了二维光学超晶格新的光学双稳机制；提出了在此类系统中观测光子禁带内透射共振现象的可行性。 提出采用金属性能良好的微球或金属微球壳自组装直接获得红外/可见光区宽带隙的三维光子晶体的理论，从而提出了一种解决目前国际上利用反蛋白石结构制备近红外区全带隙光子晶体方面所面临的选材“瓶颈”问题的可能途径。 预见了反蛋白石光子晶体全带隙带边的性质对周期单元中堆砌顺序的依赖性，以及层堆砌无序在带边引起缺陷态从而造成高频区带边出现展宽现象。 4、新现象方面： 4、新现象方面： 在由金属球构成的简立方和面心立方两种金属/介电型光子晶体中观测到光子全带隙，并
29、发现带隙的出现表现出对结构对称性的不敏感性。 在基于掺铁铌酸锂为基质的二维光学超晶格中观测到的光学双稳现象。 国家自然科学基金申请书 第 17 页 版本 1.019.254 科学研究成果 一）胶体晶体的生长及基于胶体晶体为模板的金属纳米有序结构材料的研制 二）金属微球自组装制备红外/可见光区宽带隙三维光子晶体的理论 三）非线性光学超晶格的实验及理论研究 四）反蛋白石结构光子晶体中层堆砌无序对材料光学性质影响的理论研究 五）金属/介电型宽带隙光子晶体实验及理论研究 国家自然科学基金申请书 第 18 页 版本 1.019.254 科学研究成果之一： 胶体晶体的生长及以胶体晶体为模板的金属纳米有序结
30、构材料的研制 1、一种基于毛细力作用下的微球自组装技术 1、一种基于毛细力作用下的微球自组装技术 利用单分散、亚微米二氧化硅或聚苯乙烯微球组成的胶体晶体在纳米有序介电、金属或磁性微结构材料的制备方面有着广泛的应用。例如，胶体晶体可作为模板制备高度有序多孔材料；作为前体，制备高强度陶瓷等。同时胶体晶体由于具有特殊的光学衍射特性，使得这类材料可用来制备滤光片、光学开关、化学和生物传感器、光学集成芯片等。 在近十年中，人们发展了多种方法将胶体微球自组装成胶体晶体。这些制备技术往往借助于胶体微球在某些特定力的作用下所发生的自组装过程。总结起来，这些方法可以分为重力驱动下的沉积、静电力驱动下的沉积、外加
31、电场诱导沉积、压模技术、垂直沉积、图案外延生长技术等。一般地，纯粹在重力场作用下的沉积得到的胶体晶体往往含有较多缺陷；压模和图案外延技术需要牵涉到光刻工艺；与压模技术相比，垂直沉积方法虽然更易获得大面积、单畴胶体晶体，但是这种技术对周围气氛有特别要求，对外界扰动也非常敏感。 申请者研制出一种胶体微球自组装技术，即在微通道内毛细力作用下的微球自组织；成功地制备出大面积、高质量的二维、三维胶体晶体。所发明的胶体晶体生长方法有以下优点：实施简单；适用于带电和中性的胶体微球；在胶体晶体生长过程中容许对悬浊液同时实施搅拌（以防止长时间生长过程中胶体微球沉积到悬浊液的底部） 。此外通过控制微通道内间隔物的
32、厚度，可以精确地控制胶体晶体的层数。 2、基于胶体晶体为模板的有序纳米结构金属材料 2、基于胶体晶体为模板的有序纳米结构金属材料 最近几年，微结构金属纳米材料引起人们极大的关注。与体块材料不同，微结构金属材料有着特殊的光学、电学、磁学和催化性质，在光子晶体、光波导和光照明领域有着重大的应用前景。 国际上将模板复制方法应用于有序结构金属或合金微结构材料的制备已有报道。与平整衬底上生长金属薄膜不同，胶体晶体模板的空隙是一个纳米尺度的、弯曲的三维空间。在这样的纳米空隙中生长金属由于受许多 国家自然科学基金申请书 第 19 页 版本 1.019.254 约束而显得比较困难。我们在国际上首次将胶体晶体的
33、制备技术与微球在溶液中的金属“涂层”方法相结合，成功地制备出由纳米金属球壳构成的二维和三维有序金属纳米结构材料。 2003 年 12 月，国家自然科学基金委组织的专家对所承担的光电信息功能材料重大研究计划子课题执行情况中期评估中，对上述成果给予了高度评价，认为是项目执行过程中的一个创新“亮点” ；2004 年 2 月在北京师范大学召开的光电功能材料重大研究计划汇报上作大会报告。2004年 2 月在国家自然科学基金委中德交流中心召开的中德半导体纳米结构物理及相关器件研讨会上我们报道了在金属纳米球壳制备上取得的初步进展，引起国内外学者的关注。 上述研究成果也被Advanced Materials的
34、三位审稿人一致认为：是一种制备有序结构金属材料很成功的方法。 （审稿人 A 的评价是： “The authors present a methodology for creating a metallic ordered structure through colloidal crystal templating” ；审稿人 B 的评论是： “This paper describes the preparation of ordered arrays of silver hollow spheres. This is a nice study but the work would signif
35、icantly benefit if the optical properties of the assemblies were examined, as this is an important and relevant property of the ordered structures” 。 审稿人 C 的评论是： “This paper presents a neatly executed method to obtain hollow metal sphere opals of controlled thickness” 。 相关的技术申请了二项国家发明专利。代表性工作发表在 Adv
36、anced Materials，16 (2004) 417 学术刊物上。 国家自然科学基金申请书 第 20 页 版本 1.019.254 科学研究成果之二： 金属微球自组装制备红外或可见光区宽带隙三维光子晶体的理论 国际上目前制备近红外区三维光子晶体途径之一是采用反蛋白石结构，这种方法包含两个过程：即胶体晶体模板的制备和后期材料的填充。这种方法目前面临的一个“瓶颈”问题就是选材受到很大限制，因为只有所填充材料的折射率达到 3.5 才能获得有实际应用意义（大于 5%的相对带隙宽度）的光子晶体。 申请者在国际上首次提出了采用金属包裹层厚度在数十纳米的金属/介质球或者空心的金属球壳自组装，直接获得获
37、得红外区/可见光区宽带隙的三维光子晶体的理论。此方法重要性在于充分保留了自组装技术在获得周期在亚微米的三维结构上的优势，同时解决了上述方法所面临的选材上的困难。 上述研究结果发表在 Phys. Rev. B, 64 (2001) 113108 上。该论文单篇引用 25 次，所得到的结论被国际上多个实验研究组指出是他们开展相关实验工作的动机。 光子晶体思想的两位创始人之一S. John教授在2004年初发表在 Appl. Phys. Lett.论文中将我们的上述结果作为采用金属材料制备可见光区光子晶体的具有代表性的三种方法之一进行了引用。 （详见第 32 页引用举例II-1） 2003 年由波士
38、顿 Kluwer 出版社出版的专著Nanoscale Materials中， A. Imhof 教授在 “Three dimensional photonic crystals made from colloids”一章，将我们关于由金属球制备光子晶体的理论写入该章节。原文： “A complete band gap is not expected for the materials just mentioned, because the refractive index contrast is still too low. This may no longer be the case, ho
39、wever, if metallic or metallo-dielectric particles are used. Theoretical calculations show that fcc crystals of metal spheres, or metal spheres with a dielectric coating, have wide photonic band gaps, originating from the large, negative value of the real part of the dielectric constant.191-194 Howe
40、ver, absorption, due to the imaginary part of the dielectric constant of the metal, could destroy the band gap. Calculations of the transmission, reflection, and absorption spectra of such crystals show that for the noble metals the absorption will be small 国家自然科学基金申请书 第 21 页 版本 1.019.254 enough to
41、make such photonic crystals useful at frequencies in the visible and near infrared, with silver performing the best.194” 。 （详见第 33 页引用举例II-2） 加拿大滑铁卢大学化学系 K. T. Leung 教授在其研究论文中，就目前人们关注的金属纳米颗粒的光学、磁学和电学特性的潜在应用方面，将我们的工作列为其论文的第一篇参考文献。原文： “The fabrication of assemblies of “perfect” nanometer-scale quantum
42、 crystals identically replicated in such a state that they could be manipulated and understood as pure macromolecular substances is an important challenge in modern materials research with significant fundamental and technological implications. The recent interest in these nanomaterials is due to th
43、e dependence of optical 1, magnetic 2, and electronic properties on the particle size in the nanoscale.” 。 （详见第 36页引用举例 II-4） 荷兰 Utrecht 大学 A. van Blaaderen 教授在其研究论文中指出：他们开展关于大尺寸的银颗粒的制备的动机来至于包括我们在金属球和金属/介电复合介质球在光子晶体应用的理论结果。原文： “Recently, metal and metallodielectric spheres found new applications in
44、the field of photonic crystals.10-14The second important requirement is to use particles with low absorption in the region of application. A few metals (Ag, Au, Al, Ni, Cu) have been investigated theoretically as possible candidates for metallodielectric photonic crystals.10-14” 。 （见第 38 页引用举例 II-5）
45、 在光子晶体的理论研究方面著名的学者 A. Moroz 博士在他的发表于Phys. Rev. B上的论文中不仅采用了我们的研究手法，而且多次引用我们的研究结果。 原文： “ 引文之一引文之一 As in earlier work11,28,29, only the real part of the material dielectric constant was used when the photonic band structure was calculated.引文之二引文之二The same procedure for the band structure and absorption
46、 calculations has also been employed in an earlier work on metallodielectric structures 11,28,29.引文之三引文之三Reflectance, transmittance, and absorptance were calculated by adapting available computer code, which is based on the photonic LKKR method. The same method was also used in Refs. 11 and 29.引文之四引
47、文之四For a high metal-volume fraction, as for a fcc photonic crystals, such a saturated behavior can already be established after three crystal planes 11,29.引文之五引文之五The (111) crystal direction has been chosen because 国家自然科学基金申请书 第 22 页 版本 1.019.254 this choice makes it possible to compare the properti
48、es of our photonic crystals against those of fcc photonic crystals, which properties have been studied in the same crystal direction 11,29.引文之六引文之六This noble metal guarantees the best properties of metallodielectric photonic crystals in the near infrared and in the visible 11,28,29.” （见第 40 页引用举例 II
49、-7） 西班牙 De Vigo 大学物化系 Liz-Marzan 教授在发表于J. Phys. Chem. B上的综述性论文中，他引用了我们关于由金属球构成的光子晶体的研究工作，指出这是解决胶体微球在光子晶体的应用所面临的困难的的一个途径。他特别引用了我们的重要结论。 原文： “Although absorption arising from the imaginary part of the dielectric constant of the metal could destroy the band gap, for the noble metals, the absorption will be small enough to make such photonic crystals useful at frequencies in the visible and near-IR regions, with silver performing the best.140” 。 （见第 42 页引用举例 II-8） 国家自然科学基金申请书 第 23 页 版本 1.019.254 科学研究成果之三：非线性光学超晶格的实验与理论研究 1、基于铁电材料的一维非线性光学超晶格基于铁电材料的一维非线性光学超晶格 在国内首次研制出 KTP 材料的脉冲电场室温极化技术，解决了熔盐法生长的 K
