光子晶体（Photonic Crystal）的概念于1987年首次由E.Yablonovitch^[1]和S.John^[2]提出后，迅速成为物理学和材料学的热点研究方向。光子晶体又称光子带隙材料，由两种以上具有不同介电常数的材料在空间按一定的周期顺序排列所形成的有序结构材料，其折射率在空间作周期性变化。这种材料有着三个显著特点，即光子禁带、光子局域^[3-4]和光子运动可控。光子晶体具有的这些特点使其在光电集成、多功能集成传感器、光通讯、微波通讯、空间光电技术以及国防科技等现代高新技术领域有广泛的应用^[5-6]。

光子晶体的性质中光子禁带（Photonic Band Gaps，PBGs）是其最本质的结构特征，可分为完全禁带和不完全禁带。所谓完全禁带，是指光在整个空间的所有传播方向上都有能隙，且在每个方向上的能隙能相互重叠；不完全禁带，相应于空间各个方向上的能隙并不完全重叠，或只在特定的方向上有禁带。一般说来，光子禁带会受到两种介质的介电常数（或折射率）的差、填充比及晶格结构的影响。光子晶体中两种介质的介电常数差越大，入射光被散射的就越强烈就越有可能出现光子禁带。现在一般认为要出现比较完整的光子禁带，即对任意偏振方向及传播方向的光都存在禁带两种介质的折射率差应大于2^[7]。由于光子晶体结构决定的光子禁带性质，使得波长在禁带波段范围内的光波能够发生布拉格衍射，光子晶体因此显现出各种绚丽的色彩。这种因结构特性而产生的颜色称之为结构色。

光子晶体的结构色在自然界中有几种典型的存在实例。大闪蝶的翅膀上具有周期排列的物质使其显现出绚丽的亮蓝色，减弱了翅膀本身的暗褐色。有些矿物如曹灰长石由于其所具有的多层结构而产生明显的颜色效应。但是光子晶体的结构色在自然界中最为显著的示例为蛋白石。蛋白石具有二氧化硅小球按面心立方结构排列形成的周期结构。在高介电常数物质（二氧化硅）与低介电常数物质（空气）之间形成衍射层，从而使蛋白石显现出各种绚丽的颜色^[8-9]。基于蛋白石的这种结构，人工制备了许多蛋白石型或反蛋白石型结构的光子晶体。

光子晶体的制备方法主要有以下几种：精密机械加工法^[10]、胶体自组装法^[11-12]、半导体技术法^[13]、飞秒激光干涉法等^[14]。精密机械加工法可以制备出光子带隙在微波波段的光子晶体，但是其工艺复杂，造价昂贵并且受现在机械加工技术的限制，在制备更短波长的三维光子晶体、晶体掺杂及缺陷引入等方面面临着巨大的挑战。而半导体技术和飞秒激光干涉等方法的制备工艺比较复杂，没有较多的研究。

相比于其他方法，胶体自组装方法是制备可见光和近红外波段的光子晶体的简捷、廉价且行之有效的方法。单分散的胶乳悬浮液中的胶体颗粒（包括金属，半导体，聚合物及水凝胶）表面带有电荷，在适当的电荷密度和颗粒浓度的条件下，通过重力、离心力、压力、毛细管力、电场力、磁场力等外力诱导或者强制作用，实现胶体颗粒的定向移动。胶体小球自组装生长成面心立方或体心立方排列的周期结构，形成胶体光子晶体。胶体光子晶体的晶格尺寸在亚微米量级，其光子禁带位置可以出现在可见光和近红外波段。但是利用胶体所制备的光子晶体多数尺寸较小，机械强度较低，并且在工艺上存在着许多的难点等待克服。

针对胶体自组装法的缺点，许多课题组开发出了许多区别于传统普通自组装方法的新型自组装合成光子晶体的方法。

曹杰明等^[15]在化学反应法的基础上采用阴、阳离子前驱体相分离的溶剂热法在SiO₂模板空隙内生长出ZnS晶体，从而制备出高质量的ZnS反蛋白石光子晶体。同传统的溶胶-凝胶法制备反蛋白石光子晶体相比，这种将化学反应法同纳米晶烧结法相结合的制备方法，提高了初始有效填充率，减小了体积收缩。该法制备得到的ZnS光子晶体材料本身的裂缝较少，周期排列的规则程度增加。

原子层沉积法也是发展较快的制备光子晶体的方法。原子层沉积过程中存在的自限效应使得每一次沉积过程都能确保定量的材料通过化学吸附逐层包覆到蛋白石结构球的表面。因此使用原子层沉积技术可以确保沉积材料的厚度和组分。这种方法特别适合制备氧化物，如TiO₂,Ta₂O₅,ZrO等。最近，Rugge等人将原子沉积法制备的TaO₃反蛋白结构氮化制备出了Ta₃N₅反蛋白石光子晶体^[16]。Ta₃N₅在可见波段（580-750nm）透明且具有很高的折射率（n=2.7-3.0），其反蛋白石光子晶体有望实现可见波段的完全光子禁带。

Benjamin Hatton等报道了一种大面积高度有序无裂缝的反蛋白石结构薄膜的制备技术^[17]。传统的胶体组装制备反蛋白石结构的光子晶体主要分为以下三步：胶体晶体模板的组装、前驱体溶液对胶体晶体的渗透、胶体晶体模板的去除^[18-20]。在这个制备过程中，大面积的反蛋白石结构的膜容易出现裂缝、坍塌以及晶界等晶体缺陷。Benjamin Hatton等通过在水解硅酸盐溶胶-凝胶前驱体溶液中分散悬浮聚合物胶体小球，经过蒸发沉积过程制备得到多层的符合胶体晶体膜。牺牲性的胶体晶体模板和具有阵列结构的材料的共组装避免了液体向预组装胶体晶体中渗透的过程，从而减少制备得到的反蛋白石光子晶体结构中的裂缝及不匀性。

综上所述，光子晶体作为一种具有独特光学特性的新材料，在光通信、传感、微波通信、光电技术及国防科技等领域有着较为广阔的应用空间。目前，多种物理方法和化学方法制备光子晶体的技术已见诸报道。但是，这些制备方法存在着一些难以克服的问题。物理方法制备光子晶体的途径，工艺复杂、造价昂贵并且难以制备可见光及红外波段光子禁带的光子晶体；化学方法可以较为简便、廉价的制备可见光及红外波段的光子晶体，但是制备的光子晶体存在较多的晶体缺陷并且机械强度低、面积较小。因此，大面积、机械强度高、晶体缺陷少的光子晶体的制备技术是光子晶体应用过程的主要制约因素，也是光子晶体研究的主要方向之一。