胶体晶体是指由分散的微米级或亚微米级的胶体颗粒形成的具有有序结构的一类物质。自组装技术是胶体晶体制备工艺中一种常用的方法。概述了胶体晶体的基本概念及自组装的相关工艺,针对其在微纳光学领域的应用展开了详细的分析,介绍了不同的研究团队如何将自组装胶体晶体用于彩色打印、全息图、抗反射涂层、光学器件制造中,并对胶体晶体发挥的作用进行了归纳总结。胶体晶体独特的周期性结构赋予了它广阔的应用前景,通过不同的自组装技术提升胶体晶体的质量具有重要的意义。

本文提出了一种用胶体光子晶体来装饰单模光纤装饰端面的方法，并说明了这种结构用于相对湿度传感器的原理。研究了用垂直沉积法在光纤端面制备PS(polystyrene)胶体晶体、复合胶体晶体和SiO2 反蛋白石(inverse opal)的技术，用扫描电子显微镜表征了制备得到的胶体晶体及反蛋白石，测量了端面被胶体晶体修饰光纤的反射光谱，并测试了光纤端面复合光子晶体的相对湿度传感特性。提出了一种毛细管-光纤结构，提高了生长在光纤端面处胶体晶体的质量和其机械稳定性。

制备了胶体晶体,并利用胶体晶体的光子带隙对折射率传感进行了实验研究。从理论上分析了胶体晶体光子带隙中心波长的变化与折射率的关系。通过设计模具制备了胶体晶体-光纤结构,用扫描电镜对胶体晶体的表面进行了观察,并测量了胶体晶体的光子带隙的位置。结果表明胶体晶体的光子带隙的测试结果与理论分析相一致。设计了实验装置,利用光纤间的耦合对胶体晶体的光子带隙的变化进行了测试和分析。结果表明SiO2胶体晶体光子带隙的中心波长为1445.5nm,且在不同折射率液体环境下,其中心波长发生移动,能够形成新的传感机理。对胶体晶体在液体传感上的应用进行了探索。

金属纳米孔阵列作为彩色滤波器件在OLED中有很好的应用前景。本文提出利用胶体晶体刻蚀与真空沉积技术制作大面积金属纳米孔阵列滤波器, 并用FDTD模拟优化所需要加工的金属孔阵列的结构参数, 分析了其滤波效果及其物理规律和机制。研究表明: 在选择粒径为720 nm的PS球、刻蚀剩余粒径为240 nm、金属膜厚度为120 nm的条件下, 满足CIE红光显示标准的共振波长为704.06 nm, 强度透射率为52%, 透射谱带宽为24.8 nm。模拟结果为用PS球刻蚀技术制备金属纳米孔阵列的实验提供了理论支持。

研究了不同尺寸SiO2胶体微球形成纳米结构薄膜的光学传输特性和光子带隙。通过在玻璃基底上自组装透光的SiO2胶体微球形成胶体晶体薄膜, 依据布拉格定律，分析微球尺寸对胶体晶体光子带隙的影响。为实现可见光波段的全方位减反射，提出通过改变胶体粒径将胶体晶体带隙位置移动至紫外波段，理论计算得出当粒径为112 nm，占空比为0.45时能实现可见光波段0.5%的平均反射率。实验结果表明，玻璃基底在400~800 nm间的平均反射率从4.3%降低至0.7%，最小反射率达0.3%。通过控制微球粒径移动光子带隙位置，优化晶体结构参数实现了可见光波段的减反射，有效提高了光学组件对可见光的利用率。

利用单分散的SiO2微球自组装制备了含一种尺寸微球的SiO2胶体晶体和含多种尺寸微球的多层异质结构。对含一种尺寸微球的SiO2胶体晶体进行煅烧和刻蚀处理后，胶体晶体中空隙所占比例大于立方密堆结构的26%，形成了非密堆结构，而且刻蚀时间越长，空隙比例越大。在同样的热处理和刻蚀条件下，微球尺寸越小的胶体晶体被刻蚀的程度越高，结构中空气空隙所占的比例越大。对SiO2多层异质结构经过煅烧和刻蚀处理后，得到了空隙梯度变化的多层结构，以此为模板制备了密度梯度变化的聚苯乙烯多孔薄膜。薄膜各层之间形成了平滑的过渡，没有显示出明显的层间缺陷，且孔与孔之间没有出现3维有序多孔结构中常见的大的连通孔道。

从自组装理论出发,分析对流自组装2维胶体晶体中空白、条纹区域出现的机理，并在实验上予以验证。通过研究得知,2维胶体晶体的自组装过程呈现空白、条纹、大面积单层、双层条纹的趋势。从胶体晶体覆盖率的角度出发研究2维胶体晶体的组装参数与质量之间的关系，结果表明:胶体晶体的总覆盖率与基片提拉速度倒数呈线性正比，和粒子体积分数呈反比例函数关系;受到多种因素的影响，大面积2维胶体晶体总是伴随着一定比例的空白区域和双层区域出现，提拉法所能获得的最大单层覆盖率为95%。

利用时域有限差分法和实验结果对胶体晶体结构和传输特性进行了研究。构成三维胶体晶体的小球直径和折射率对禁带的位置会产生影响,用时域有限差分法对不同参数的胶体晶体进行了数值计算。计算结果和实验数据表明三维胶体晶体在纵向存在带隙,而且可以得到透反射谱和不同位置的场分布。

为了对聚合物多孔材料的微观孔结构进行控制, 利用垂直沉积技术, 制备了蛋白石结构和多层异质结构的SiO2胶体晶体, 并通过模板导向前驱物填充手段, 获得了反蛋白石结构和孔径梯度变化的聚苯乙烯多孔薄膜。扫描电镜分析表明, 聚苯乙烯多孔结构精确复制了原始模板的反结构。光学透射谱显示, 填充聚苯乙烯后复合蛋白石光子禁带位置相对原始模板发生红移, 除去模板后, 光子禁带位置发生蓝移。根据布拉格衍射方程, 计算出胶体晶体模板空隙的填充分数。

对亚波长纳米微结构-非紧密堆积多晶胶体晶体光学薄膜的增透特性进行了研究。采用浸渍-提拉法在玻璃表面组装了亚波长纳米微结构，并利用等效介质理论分析其光学性质，理论和实验符合。研究表明实验制备的纳米微结构具有优异的增透性质，通过控制组装条件可以控制膜层厚度实现高增透效率从可见光到近红外的有效调谐，且微结构在玻璃基底上的等效折射率接近1.22，透射率最大能提高约7%，达到998%的增透效果。