Development of inverse photonic crystals using mullite or alumina/mullite coatings

Abstract

Materiais macroporosos tridimensionalmente (3DOM) ordenados para aplicações em temperaturas elevadas foram desenvolvidos por infiltração de cristais fotônicos diretos seguida por termólise e calcinação. Mulita foi escolhida para servir de exemplo para a síntese de outros óxidos ternários. Cristais fotônicos diretos foram preparados a partir de esferas de poliestireno por automontagem vertical convectiva ou drop casting, posteriormente infiltrados por spin coating com sol-gel de mulita. Os sol-géis de mulita foram preparados com duas composições diferentes variando a razão dos precursores iniciais. Embora os resultados indiquem uma formação de mulita difásica, e os cristais fotônicos inversos de mulita calcinados não apresentem propriedades ópticas, uma estabilidade estrutural avançada foi observada até 1500 °C para mulita de composição rica em alumina, o que permite a aplicação desses materiais 3DOM a altas temperaturas. Um estudo do desenvolvimento de um 3DOM de um material combinado (alumina e mulita) usando técnicas alternativas de revestimento, atomic layer deposition (ALD e infiltração sol-gel, também foi relatado. Um cristal fotônico inverso de alumina revestido com mulita foi preparado com esferas de poliestireno por automontagem e drop casting, antes do revestimento de alumina por ALD, com subsequente infiltração horizontal de sol-gel de mulita com duas diferentes composições e inversão de estrutura por calcinação. Os cristais fotônicos inversos calcinados, neste caso, mostraram não apenas estabilidade estrutural de 900 até 1500 °C, mas também propriedades ópticas, o que permite o uso do material como revestimento fotônico.

Abstract : Three-dimensionally ordered macroporous (3DOM) materials for applications at elevated temperatures have been developed by infiltration of direct photonic crystals followed by burnout and calcination. Mullite was chosen to serve as example for the synthesis of other ternary oxides. Direct photonic crystals were prepared from polystyrene spheres templates by vertical convective self-assembly or drop casting, later infiltrated by spin coating with mullite sol-gels. Mullite sol-gels with two different compositions were prepared by varying the initial precursors ratio. Although the results indicate a diphasic mullite formation, and the annealed mullite inverse photonic crystals showed no optical properties, an advanced structural stability was observed up to 1500 °C for an alumina rich mullite, which enables the application of these 3DOM materials at high temperatures. A study of the development of a 3DOM combined material (alumina and mullite) using alternative coating techniques, atomic layer deposition (ALD) and sol-gel infiltration, was also reported. A mullite-coated alumina inverse photonic crystal was prepared with polystyrene spheres templates by self-assembly and drop casting, prior to alumina deposition by ALD, followed by horizontal infiltration of two different mullite compositions and inversion of structure by calcination. The annealed inverse photonic crystals in this case showed not only structure stability from 900 to 1500 °C, but also optical properties, which enable the use of the material as a photonic material.