CN102433588A - 无裂纹光子晶体的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无裂纹大面积光子晶体的制备方法，特别涉及无裂纹大面积蛋白石结构及反蛋白石结构光子晶体的制备方法。本发明所选用的光子晶体的支撑基底为亲水柔性基底，通过单分散胶体微球在其上面自组装或者单分散胶体微球与水溶性聚合物单体在亲水柔性基底上共组装、聚合，即可得到无裂纹大面积蛋白石结构或复合蛋白石结构光子晶体。进一步用溶剂将复合蛋白石结构光子晶体中的单分散胶体微球溶解掉，可得到无裂纹大面积反蛋白石结构光子晶体。本发明所涉及制备方法成本低廉、操作简单、绿色环保、普适性好，所制备光子晶体可以实际应用于高性能光学器件、化学、生物化学检测等领域。

Description

无裂纹光子晶体的制备方法

技术领域

本发明涉及无裂纹大面积光子晶体的制备方法，特别涉及无裂纹大面积蛋白石结构及反蛋白石结构光子晶体的制备方法。

背景技术

光子晶体自1987年问世以来，由于其特殊的光调控性能，在光学、电子学，化学、生物化学等领域有着广泛的应用前景。利用化学自组装方法制备光子晶体由于成本低、操作简单等优点，吸引了科研工作者的研究兴趣。但是，化学自组装制备光子晶体过程中不可避免的裂纹等缺陷的产生，严重限制了光子晶体在实际中的应用。为了解决这一问题，科学家们已经开展了一定的前期工作，如，采用模板辅助自组装(C.J.Jin，N.P.Johnson，Nano Lett.2005，5，2646-2650)、剪切流诱导自组装(T.Sawada，Adv.Funct.Mater.2005，25；T.Sawada，Langmuir 2009，13315)、在液体表面自组装(Zentel R.，Chem.Mater.2002，14，4023-4025)、在自组装前将胶体微球高温预收缩(D.J.Norris，Appl.Phys.Lett.2004，84，3573-3575)、在自组装过程中在胶体颗粒间隙中均匀填充恰当的化学物质(X.S.Zhao，J.Phys.Chem.C 2007，111，8538-8542；B.Hatton，L.Mishchenko，S.Davis，K.H.Sandhage，J.Aizenberg，PNAS，107，23，10355)等方法，在低堆积密度晶面避免了或者所有晶面完全避免了在制备光子晶体的过程中光子晶体裂纹的产生。但是，上述制备过程中存在以下几点不足：1.所制备的产品只能在某些低堆积密度晶面上避免裂纹的产生，而其它高堆积密度晶面仍有裂纹；2.制备成本高，过程繁琐；3.制备过程污染严重，有不安全隐患；4.制备方法只适用于某种胶体粒子，不具有普适性。为了进一步推动光子晶体的实际应用，更低成本、更简单、安全、绿色的制备方法一直是科研工作者努力的方向。本发明利用柔性基材的柔性或者利用柔性基材的柔性与跟乳胶球共组装的聚合物因填隙而减少乳胶球收缩协同作用，就可以彻底消除自组装光子晶体过程中裂纹的产生。相关工作目前未见有文献报道。本发明的方法成本低廉、操作简单、绿色环保、普适性好，对推动光子晶体的实际应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低廉、操作简单、绿色环保、普适性好的无裂纹大面积蛋白石结构及反蛋白石结构光子晶体的制备方法。

本发明的无裂纹大面积光子晶体的制备是采用在亲水柔性基材上进行化学自组装：将单分散胶体微球超声分散于水中，形成含有单分散胶体微球的乳液，其中，单分散胶体微球在乳液中的质量分数为0.01～20wt％；然后将亲水柔性基材竖直放入上述乳液中，利用在亲水柔性基材表面形成的水的弯月面的毛细压力使上述单分散胶体微球自组装在上述亲水柔性基材表面，自组装成无裂纹大面积蛋白石结构光子晶体(上述自组装，优选是在温度为50～85℃、相对湿度为50％～85％的条件下进行)。

在制备上述乳液时，进一步将聚合物单体、交联剂及引发剂与单分散胶体微球共同超声分散于水中，形成乳液，其中，乳液中的单分散胶体微球的质量分数为0.01～20wt％，聚合物单体与单分散胶体微球的质量比为0.1∶1～8∶1，聚合物单体∶交联剂∶引发剂的物质的量比为1∶0.01∶0.001～1∶0.06∶0.008；然后将亲水柔性基材竖直放入上述乳液中，使上述单分散胶体微球自组装在亲水柔性基材表面的同时，聚合物单体在单分散胶体微球间隙热引发聚合成聚合物(上述自组装及热引发聚合，优选是在温度为50～85℃、相对湿度为50％～85％的条件下进行)，从而得到以单分散胶体微球为骨架，在单分散胶体微球骨架的空隙中填充有聚合物的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体。该方法不但可以实现无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体的制备，而且进一步用溶剂溶解掉复合蛋白石结构光子晶体中作为骨架的单分散胶体微球后，便可以得到无裂纹大面积的反蛋白石结构光子晶体。

所述的亲水柔性基材的厚度在0.001～0.07cm之间。

所述的亲水柔性基材是锡纸、铝箔等金属或合金薄片，或者是与水的静态接触角小于90°的塑料；所述的塑料优先选自聚丙烯酸、聚碳酸酯、聚丙烯酰胺、聚酰亚胺、等离子体处理过的聚二甲基硅氧烷和等离子体处理过的聚氨酯等中的一种。

所述的单分散胶体微球是已知市售产品，其粒径是80～1100nm；选自单分散聚苯乙烯胶体微球、聚甲基丙烯酸甲酯胶体微球、聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物胶体微球和二氧化硅胶体微球中的一种。

所述的聚合物单体是已知市售产品，选自丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺和丙烯酸所组成的组中的至少一种。

所述的聚合物选自聚丙烯酰胺、聚异丙基丙烯酰胺和聚丙烯酸所组成的组中的至少一种。

所述的交联剂为N-N’-亚甲基双丙烯酰胺。

所述的引发剂是过硫酸盐和/或偶氮二异丁腈；所述的过硫酸盐是过硫酸钾、过硫酸铵或它们的混合物等。

所述的溶剂选自甲苯、四氢呋喃、1，4-二氧六环和氢氟酸中的一种。

本发明的制备方法得到的无裂纹大面积蛋白石结构的光子晶体的光子带隙在200～2500nm之间；所述的无裂纹大面积蛋白石结构的光子晶体是聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)和二氧化硅蛋白石结构光子晶体中的一种。

本发明的制备方法得到的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体的光子带隙在250～2600nm之间；所述的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体是以单分散胶体微球为骨架，在单分散胶体微球骨架的空隙中均匀充分填充有聚合物；所述的单分散胶体微球是已知市售产品，其粒径是80～1100nm；选自单分散聚苯乙烯胶体微球、聚甲基丙烯酸甲酯胶体微球、聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物胶体微球和二氧化硅胶体微球中的一种。所述的聚合物单体是已知市售产品，选自丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺和丙烯酸所组成的组中的至少一种。

本发明的制备方法得到的无裂纹大面积反蛋白石结构的光子晶体的光子带隙在150～2500nm之间；所述的无裂纹大面积反蛋白石结构的光子晶体是聚丙烯酰胺、聚异丙基丙烯酰胺和聚丙烯酸反蛋白石结构光子晶体所组成的组份中的至少一种。

本发明所选用的光子晶体的支撑基底为亲水柔性基底，通过单分散胶体微球在其上面自组装或者单分散胶体微球与水溶性聚合物单体在亲水柔性基底上共组装、聚合，即可得到无裂纹大面积蛋白石光子晶体。进一步用溶剂将单分散胶体微球溶解掉，可得到无裂纹大面积反蛋白石结构光子晶体。本发明所涉及制备方法成本低廉、操作简单、绿色环保、普适性好，所制备光子晶体可以实际应用于高性能光学器件、化学、生物化学检测等领域。

附图说明

图1.本发明实施例6的(a)粒径大约为310nm的单分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物胶体微球与异丙基丙烯酰胺、N-N’-亚甲基双丙烯酰胺在铝箔上自组装、聚合生长的无裂纹光子晶体的低倍数电镜照片；(b)在普通玻璃基材上单分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物胶体微球与异丙基丙烯酰胺、N-N’-亚甲基双丙烯酰胺自组装、聚合生长的存在裂纹的光子晶体的低倍数电镜照片。

图2.本发明实施例6的粒径大约为310nm单分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物胶体微球与异丙基丙烯酰胺、N-N’-亚甲基双丙烯酰胺在铝箔上自组装、聚合生长的无裂纹光子晶体的高倍数电镜照片。

图3.本发明实施例6的粒径大约为310nm单分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物胶体微球与异丙基丙烯酰胺、N-N’-亚甲基双丙烯酰胺在铝箔或普通玻璃上自组装、聚合生长的光子晶体的反射光谱。明显可以看出，由于裂纹的消除，裂纹带来的散射作用消失，反射光谱的半峰宽减少，表现出更好的光学性能。

图4.本发明实施例6的聚异丙基丙烯酰胺反蛋白石结构光子晶体的电镜照片；(a)聚异丙基丙烯酰胺反蛋白石结构光子晶体的高倍数电镜照片；(b)聚异丙基丙烯酰胺反蛋白石结构光子晶体的低倍数电镜照片。

图5.本发明实施例6的聚异丙基丙烯酰胺无裂纹反蛋白石结构光子晶体的反射光谱，曲线a是在普通玻璃基底上；曲线b是在铝箔柔性基底上。从图中可以看出，由于裂纹的消除，裂纹带来的散射作用消失，反射光谱的半峰宽减少，表现出更好的光学性能。

具体实施方式

实施例1.

将粒径为80nm的单分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物胶体微球超声分散于水中，形成质量分数为0.01％的乳液，然后将厚度为0.001cm的铝箔竖直放入该乳液中，在温度为50℃，相对湿度为50％的条件下，利用在铝箔表面形成的水的弯月面的毛细压力使上述单分散胶体微球组装在上述铝箔表面，自组装成无裂纹大面积蛋白石结构光子晶体，其光子带隙位于200nm。

实施例2.

将粒径为1100nm的单分散聚苯乙烯胶体微球超声分散于水中，形成质量分数为20％的乳液，然后将厚度为0.07cm的铝箔竖直放入该乳液中，在温度为85℃，相对湿度为85％的条件下，利用在铝箔表面形成的水的弯月面的毛细压力使上述单分散胶体微球组装在上述铝箔表面，自组装成无裂纹大面积蛋白石结构光子晶体，其光子带隙位于2500nm。

实施例3.

将粒径为300nm的单分散二氧化硅胶体微球超声分散于水中，形成质量分数为0.5％的乳液，然后将厚度为0.0075cm的聚酰亚胺薄膜竖直放入该乳液中，在温度为60℃，相对湿度为60％的条件下，利用在聚酰亚胺薄膜表面形成的水的弯月面的毛细压力使上述单分散胶体微球组装在上述聚酰亚胺薄膜表面，自组装成无裂纹大面积蛋白石结构光子晶体，其光子带隙位于800nm。

实施例4.

将粒径为400nm的单分散聚甲基丙烯酸甲酯微球超声分散于水中，形成质量分数为0.8％的乳液，然后将厚度为0.008cm的铝镁合金薄片竖直放入该乳液中，在温度为80℃，相对湿度为80％的条件下，利用在铝镁合金薄片表面形成的水的弯月面的毛细压力使上述单分散胶体微球组装在上述铝镁合金薄片表面，自组装成无裂纹大面积蛋白石结构光子晶体，其光子带隙位于1000nm。

实施例5.

将含有粒径为1100nm的质量分数为5％的单分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物胶体微球乳液、丙烯酸、N-N’-亚甲基双丙烯酰胺交联剂及过硫酸铵和过硫酸钾混合物引发剂超声分散于水中，形成混合物乳液，其中，丙烯酸与单分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物胶体微球的质量比为0.1∶1，丙烯酸∶N-N’-亚甲基双丙烯酰胺∶过硫酸铵和过硫酸钾混合物的摩尔比为1∶0.01∶0.001；然后将厚度为0.04cm的铝硅合金片竖直放入该混合物乳液中，在温度为50℃，相对湿度为70％的条件下，利用在铝硅合金片表面形成的水的弯月面的毛细压力使上述单分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物胶体微球组装在上述铝硅合片表面，同时，丙烯酸在单分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物胶体微球间隙热引发聚合成聚丙烯酸，从而得到以单分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物胶体微球为骨架，在单分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物胶体微球骨架的空隙中均匀填充有聚丙烯酸的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体，其光子禁带位于2600nm。而且进一步将上述得到的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体浸泡于1，4-二氧六环溶剂中，用1，4-二氧六环溶解掉复合蛋白石结构光子晶体中作为骨架的单分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物胶体微球后，便可以得到聚丙烯酸无裂纹大面积的反蛋白石结构光子晶体，其光子禁带位于2500nm。

实施例6.

将含有粒径大约为310nm的质量分数为0.2％的单分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物胶体微球乳液、异丙基丙烯酰胺、N-N’-亚甲基双丙烯酰胺及过硫酸铵引发剂超声分散于水中，形成混合物乳液，其中，异丙基丙烯酰胺与单分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物胶体微球的质量比为1.5∶1，异丙基丙烯酰胺∶N-N’-亚甲基双丙烯酰胺∶过硫酸铵的摩尔比为1∶0.03∶0.002；然后将厚度为0.0015cm的铝箔竖直放入该混合物乳液中，在温度为80℃，相对湿度为50％的条件下，利用在铝箔表面形成的水的弯月面的毛细压力使上述单分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物胶体微球组装在上述铝箔表面，同时，异丙基丙烯酰胺在单分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物胶体微球间隙热引发聚合成聚异丙基丙烯酰胺，从而得到以单分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物胶体微球为骨架，在单分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物胶体微球骨架的空隙中填充有聚异丙基丙烯酰胺的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体，对其结构，我们利用日本电子公司的场发射扫描式电子显微镜(仪器型号是：JSM-6700F)进行了表征，结果如图1(a)扫描电镜照片所示，在所观察的整个区域无裂纹出现，而在相同条件下，在普通硬玻璃基材上，存在大量的裂纹，如图1(b)所示。该蛋白石结构光子晶体在微观上具有优异的周期结构，如图2所示。进一步用美国海洋光学公司亚洲分公司的光纤光谱仪(仪器型号：Ocean Optic HR 4000 & NIR-256)表征了复合蛋白石结构光子晶体的光子带隙，该复合蛋白石结构光子晶体的光子带隙位于800nm，如图3所示。进一步将上述得到的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体浸泡于1，4-二氧六环溶剂中，用1，4-二氧六环溶解掉复合蛋白石结构光子晶体中作为骨架的单分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物胶体微球后，得到无裂纹的聚异丙基丙烯酰胺反蛋白石结构光子晶体，如图4(b)扫描电镜照片所示，而图4(a)可看出其良好的周期结构，其光子禁带位于628nm，如图5所示。

实施例7.

将含有粒径为1100nm的质量分数为0.01％的单分散聚苯乙烯胶体微球乳液、丙烯酰胺、N-N’-亚甲基双丙烯酰胺及偶氮二异丁腈引发剂超声分散于水中，形成混合物乳液，其中，丙烯酰胺与单分散聚苯乙烯胶体微球的质量比为8∶1，丙烯酰胺∶N-N’-亚甲基双丙烯酰胺∶偶氮二异丁腈的摩尔比为1∶0.06∶0.008；然后将厚度为0.07cm的聚碳酸酯薄膜竖直放入该混合物乳液中，在温度为85℃，相对湿度为65％的条件下，利用在聚碳酸酯薄膜表面形成的水的弯月面的毛细压力使上述单分散聚苯乙烯胶体微球组装在上述聚碳酸酯薄膜表面，同时，丙烯酰胺在单分散聚苯乙烯胶体微球间隙热引发聚合成聚丙烯酰胺，从而得到以单分散聚苯乙烯胶体微球为骨架，在单分散聚苯乙烯胶体微球骨架的空隙中填充有聚丙烯酰胺的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体，其光子禁带位于2600nm。而且进一步将上述得到的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体浸泡于甲苯溶剂中，用甲苯溶解掉复合蛋白石结构光子晶体中作为骨架的单分散聚苯乙烯胶体微球后，便可以得到聚丙烯酰胺无裂纹大面积的反蛋白石结构光子晶体，其光子禁带位于2500nm。

实施例8.

将含有粒径为80nm的质量分数为0.5％的单分散聚甲基丙烯酸甲酯聚合物胶体微球乳液、丙烯酸、N-N’-亚甲基双丙烯酰胺及过硫酸钠引发剂超声分散于水中，形成混合物乳液，其中，丙烯酸与单分散聚甲基丙烯酸甲酯聚合物胶体微球的质量比为2∶1，丙烯酸∶N-N’-亚甲基双丙烯酰胺∶过硫酸钠的摩尔比为1∶0.02∶0.006；然后将厚度为0.007cm的聚丙烯酸薄膜竖直放入该混合物乳液中，在温度为60℃，相对湿度为85％的条件下，利用在聚丙烯酸薄膜表面形成的水的弯月面的毛细压力使上述单分散聚甲基丙烯酸甲酯聚合物胶体微球组装在上述聚丙烯酸薄膜表面，同时，丙烯酸在单分散聚甲基丙烯酸甲酯聚合物胶体微球间隙热引发聚合成聚丙烯酸，从而得到以单分散聚甲基丙烯酸甲酯聚合物胶体微球为骨架，在单分散聚甲基丙烯酸甲酯聚合物胶体微球骨架的空隙中填充有聚丙烯酸聚合物的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体，其光子禁带位于250nm。而且进一步将上述得到的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体浸泡于四氢呋喃溶剂中，用四氢呋喃溶解掉复合蛋白石结构光子晶体中作为骨架的单分散聚甲基丙烯酸甲酯聚合物胶体微球后，便可以得到聚丙烯酸无裂纹大面积的反蛋白石结构光子晶体，其光子禁带位于150nm。

实施例9.

将含有粒径为1100nm的质量分数为0.2％的单分散二氧化硅胶体微球乳液、异丙基丙烯酰胺、N-N’-亚甲基双丙烯酰胺及过硫酸钾引发剂超声分散于水中，形成混合物乳液，其中，异丙基丙烯酰胺与单分散二氧化硅胶体微球的质量比为8∶1，异丙基丙烯酰胺∶N-N’-亚甲基双丙烯酰胺∶过硫酸钾的摩尔比为1∶0.06∶0.008；然后将厚度为0.01cm的聚丙烯酰胺薄膜竖直放入该混合物乳液中，在温度为60℃，相对湿度为70％的条件下，利用在聚丙烯酰胺薄膜表面形成的水的弯月面的毛细压力使上述单分散二氧化硅胶体微球组装在上述聚丙烯酰胺薄膜表面，同时，异丙基丙烯酰胺在单分散二氧化硅胶体微球间隙热引发聚合成聚异丙基丙烯酰胺，从而得到以单分散二氧化硅胶体微球为骨架，在单分散聚二氧化硅胶体微球骨架的空隙中填充有聚异丙基丙烯酰胺的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体，其光子禁带位于2600nm。而且进一步将上述得到的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体浸泡于质量分数为10％HF水溶液中，用质量分数为10％HF水溶液溶解掉复合蛋白石结构光子晶体中作为骨架的单分散聚二氧化硅胶体微球后，便可以得到聚异丙基丙烯酰胺无裂纹大面积的反蛋白石结构光子晶体，其光子禁带位于2500nm。

实施例10.

将含有粒径为80nm的质量分数为0.01％的单分散聚苯乙烯胶体微球乳液、丙烯酰胺、N-N’-亚甲基双丙烯酰胺及过硫酸铵引发剂超声分散于水中，形成混合物乳液，其中，丙烯酰胺与单分散聚苯乙烯胶体微球的质量比为3∶1，丙烯酰胺∶N-N’-亚甲基双丙烯酰胺∶偶氮二异丁腈的摩尔比为1∶0.05∶0.007；然后将厚度为0.004cm的铝锌合金片竖直放入该混合物乳液中，在温度为70℃，相对湿度为60％的条件下，利用在铝锌合金片表面形成的水的弯月面的毛细压力使上述单分散聚苯乙烯胶体微球组装在上述铝锌合金片表面，同时，丙烯酰胺在单分散聚苯乙烯胶体微球间隙热引发聚合成聚丙烯酰胺，从而得到以单分散聚苯乙烯胶体微球为骨架，在单分散聚苯乙烯胶体微球骨架的空隙中填充有聚丙烯酰胺的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体，其光子禁带位于250nm。而且进一步将上述得到的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体浸泡于四氢呋喃溶剂中，用四氢呋喃溶解掉复合蛋白石结构光子晶体中作为骨架的单分散聚苯乙烯胶体微球后，便可以得到聚丙烯酰胺无裂纹大面积的反蛋白石结构光子晶体，其光子带隙位于150nm。

实施例11.

将含有粒径为320nm的质量分数为20％的单分散聚甲基丙烯酸甲酯聚合物胶体微球乳液、丙烯酸、N-N’-亚甲基双丙烯酰胺及过硫酸钠引发剂超声分散于水中，形成混合物乳液，其中，丙烯酸与单分散聚甲基丙烯酸甲酯聚合物胶体微球的质量比为6∶1，丙烯酸∶N-N’-亚甲基双丙烯酰胺∶过硫酸钠的摩尔比为1∶0.04∶0.008；然后将厚度为0.07cm的经氧等离子体清洗过的聚胺酯薄膜竖直放入该混合物乳液中，在温度为50℃，相对湿度为60％的条件下，利用在经氧等离子体清洗过的聚胺酯薄膜表面形成的水的弯月面的毛细压力使上述单分散聚甲基丙烯酸甲酯聚合物胶体微球组装在上述经氧等离子体清洗过的聚胺酯薄膜表面，同时，丙烯酸在单分散聚甲基丙烯酸甲酯聚合物胶体微球间隙热引发聚合成聚丙烯酸，从而得到以单分散聚甲基丙烯酸甲酯聚合物胶体微球为骨架，在单分散聚甲基丙烯酸甲脂聚合物胶体微球骨架的空隙中填充有聚丙烯酸聚合物的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体，其光子禁带位于850nm。而且进一步将上述得到的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体浸泡于甲苯溶剂中，用甲苯溶解掉复合蛋白石结构光子晶体中作为骨架的单分散聚甲基丙烯酸甲酯聚合物胶体微球后，便可以得到聚丙烯酸无裂纹大面积的反蛋白石结构光子晶体，其光子禁带位于700nm。

实施例12.

将含有粒径为80nm的质量分数为5％的单分散二氧化硅胶体微球乳液、异丙基丙烯酰胺、N-N’-亚甲基双丙烯酰胺及过硫酸钾引发剂超声分散于水中，形成混合物乳液，其中，异丙基丙烯酰胺与单分散二氧化硅胶体微球的质量比为4∶1，异丙基丙烯酰胺∶N-N’-亚甲基双丙烯酰胺∶过硫酸钾的摩尔比为1∶0.06∶0.008；然后将厚度为0.0075cm的聚酰亚胺薄膜竖直放入该混合物乳液中，在温度为65℃，相对湿度为60％的条件下，利用在聚酰亚胺薄膜表面形成的水的弯月面的毛细压力使上述单分散二氧化硅胶体微球组装在上述聚酰亚胺薄膜表面，同时，异丙基丙烯酰胺在单分散二氧化硅胶体微球间隙热引发聚合成聚异丙基丙烯酰胺，从而得到以单分散二氧化硅胶体微球为骨架，在单分散聚二氧化硅胶体微球骨架的空隙中填充有聚异丙基丙烯酰胺的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体，其光子禁带位于250nm。而且进一步将上述得到的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体浸泡于质量分数为10％HF水溶液中，用质量分数为10％HF水溶液溶解掉复合蛋白石结构光子晶体中作为骨架的单分散聚二氧化硅胶体微球后，便可以得到聚异丙基丙烯酰胺无裂纹大面积的反蛋白石结构光子晶体，其光子禁带位于150nm。

实施例13.

将含有粒径为320nm的质量分数为3％的单分散聚苯乙烯胶体微球乳液、丙烯酰胺、N-N’-亚甲基双丙烯酰胺及过硫酸铵引发剂超声分散于水中，形成混合物乳液，其中，丙烯酰胺与单分散聚苯乙烯胶体微球的质量比为2∶1，丙烯酰胺∶N-N’-亚甲基双丙烯酰胺∶偶氮二异丁腈的摩尔比为1∶0.01∶0.001；然后将厚度为0.004cm的聚碳酸酯薄膜竖直放入该混合物乳液中，在温度为70℃，相对湿度为80％的条件下，利用在聚碳酸酯薄膜表面形成的水的弯月面的毛细压力使上述单分散聚苯乙烯胶体微球组装在上述聚碳酸酯薄膜表面，同时，丙烯酰胺在单分散聚苯乙烯胶体微球间隙热引发聚合成聚丙烯酰胺，从而得到以单分散聚苯乙烯胶体微球为骨架，在单分散聚苯乙烯胶体微球骨架的空隙中填充有聚丙烯酰胺的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体，其光子禁带位于850nm。而且进一步将上述得到的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体浸泡于四氢呋喃溶剂中，用四氢呋喃溶解掉复合蛋白石结构光子晶体中作为骨架的单分散聚苯乙烯胶体微球后，便可以得到聚丙烯酰胺无裂纹大面积的反蛋白石结构光子晶体，其光子带隙位于700nm。

实施例14.

将含有粒径为80nm的质量分数为0.01％的单分散聚苯乙烯胶体微球乳液、丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺、N-N’-亚甲基双丙烯酰胺及过硫酸铵引发剂超声分散于水中，形成混合物乳液，其中，丙烯酰胺与异丙基丙烯酰胺的质量总量与单分散聚苯乙烯胶体微球质量比为2∶1，丙烯酰胺与异丙基丙烯酰胺的总量∶N-N’-亚甲基双丙烯酰胺∶偶氮二异丁腈的摩尔比为1∶0.01∶0.001；然后将厚度为0.004cm的聚碳酸酯薄膜竖直放入该混合物乳液中，在温度为80℃，相对湿度为70％的条件下，利用在聚碳酸酯薄膜表面形成的水的弯月面的毛细压力使上述单分散聚苯乙烯胶体微球组装在上述聚碳酸酯薄膜表面，同时，丙烯酰胺和异丙基丙烯酰胺在单分散聚苯乙烯胶体微球间隙热引发聚合成聚丙烯酰胺-聚异丙基丙烯酰胺，从而得到以单分散聚苯乙烯胶体微球为骨架，在单分散聚苯乙烯胶体微球骨架的空隙中填充有聚丙烯酰胺-聚异丙基丙烯酰胺的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体，其光子禁带位于250nm。而且进一步将上述得到的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体浸泡于1，4-二氧六环溶剂中，用1，4-二氧六环溶解掉复合蛋白石结构光子晶体中作为骨架的单分散聚苯乙烯胶体微球后，便可以得到聚丙烯酰胺-聚异丙基丙烯酰胺无裂纹大面积的反蛋白石结构光子晶体，其光子带隙位于150nm。

实施例15.

将含有粒径为1100nm的质量分数为20％的单分散聚苯乙烯胶体微球乳液、丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺、丙烯酸、N-N’-亚甲基双丙烯酰胺及过硫酸铵引发剂超声分散于水中，形成混合物乳液，其中，丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺和丙烯酸的质量总量与单分散聚苯乙烯胶体微球质量比为2∶1，丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺和丙烯酸的总量∶N-N’-亚甲基双丙烯酰胺∶过硫酸铵的摩尔比为1∶0.01∶0.001；然后将厚度为0.005cm的聚碳酸酯薄膜竖直放入该混合物乳液中，在温度为85℃，相对湿度为85％的条件下，利用在聚碳酸酯薄膜表面形成的水的弯月面的毛细压力使上述单分散聚苯乙烯胶体微球组装在上述聚碳酸酯薄膜表面，同时，丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺和丙烯酸在单分散聚苯乙烯胶体微球间隙热引发聚合成聚丙烯酰胺-聚异丙基丙烯酰胺-聚丙烯酸，从而得到以单分散聚苯乙烯胶体微球为骨架，在单分散聚苯乙烯胶体微球骨架的空隙中填充有聚丙烯酰胺-聚异丙基丙烯酰胺-聚丙烯酸的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体，其光子禁带位于2600nm。而且进一步将上述得到的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体浸泡于1，4-二氧六环溶剂中，用1，4-二氧六环溶解掉复合蛋白石结构光子晶体中作为骨架的单分散聚苯乙烯胶体微球后，便可以得到聚丙烯酰胺-聚异丙基丙烯酰胺-聚丙烯酸无裂纹大面积的反蛋白石结构光子晶体，其光子带隙位于2500nm。

实施例16.

将含有粒径为1100nm的质量分数为20％的单分散聚苯乙烯胶体微球乳液、丙烯酰胺、丙烯酸、N-N’-亚甲基双丙烯酰胺及过硫酸钾、偶氮二异丁腈混合引发剂超声分散于水中，形成混合物乳液，其中，丙烯酰胺与丙烯酸的质量总量与单分散聚苯乙烯胶体微球的质量比为2∶1，丙烯酰胺与丙烯酸的总量∶N-N’-亚甲基双丙烯酰胺∶过硫酸钾和偶氮二异丁腈的总量的摩尔比为1∶0.01∶0.001；然后将厚度为0.005cm的聚碳酸酯薄膜竖直放入该混合物乳液中，在温度为50℃，相对湿度为70％的条件下，利用在聚碳酸酯薄膜表面形成的水的弯月面的毛细压力使上述单分散聚苯乙烯胶体微球组装在上述聚碳酸酯薄膜表面，同时，丙烯酰胺和丙烯酸在单分散聚苯乙烯胶体微球间隙热引发聚合成聚丙烯酰胺-聚丙烯酸，从而得到以单分散聚苯乙烯胶体微球为骨架，在单分散聚苯乙烯胶体微球骨架的空隙中填充有聚丙烯酰胺-聚丙烯酸的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体，其光子禁带位于2600nm。而且进一步将上述得到的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体浸泡于1，4-二氧六环溶剂中，用1，4-二氧六环溶解掉复合蛋白石结构光子晶体中作为骨架的单分散聚苯乙烯胶体微球后，便可以得到聚丙烯酰胺-聚丙烯酸无裂纹大面积的反蛋白石结构光子晶体，其光子带隙位于2500nm。

实施例17.

将含有粒径为80nm的质量分数为0.4％的单分散聚苯乙烯胶体微球乳液、异丙基丙烯酰胺、丙烯酸、N-N’-亚甲基双丙烯酰胺及过硫酸钾引发剂超声分散于水中，形成混合物乳液，其中，异丙基丙烯酰胺与丙烯酸的质量总量与单分散聚苯乙烯胶体微球的质量比为2∶1，异丙基丙烯酰胺与丙烯酸的总量∶N-N’-亚甲基双丙烯酰胺∶过硫酸钾和过硫酸钾的总量的摩尔比为1∶0.01∶0.001；然后将厚度为0.005cm的聚碳酸酯薄膜竖直放入该混合物乳液中，在温度为50℃，相对湿度为85％的条件下，利用在聚碳酸酯薄膜表面形成的水的弯月面的毛细压力使上述单分散聚苯乙烯胶体微球组装在上述聚碳酸酯薄膜表面，同时，异丙基丙烯酰胺和丙烯酸在单分散聚苯乙烯胶体微球间隙热引发聚合成聚异丙基丙烯酰胺-聚丙烯酸，从而得到以单分散聚苯乙烯胶体微球为骨架，在单分散聚苯乙烯胶体微球骨架的空隙中填充有聚异丙基丙烯酰胺-聚丙烯酸的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体，其光子禁带位于250nm。而且进一步将上述得到的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体浸泡于1，4-二氧六环溶剂中，用1，4-二氧六环溶解掉复合蛋白石结构光子晶体中作为骨架的单分散聚苯乙烯胶体微球后，便可以得到聚异丙基丙烯酰胺-聚丙烯酸无裂纹大面积的反蛋白石结构光子晶体，其光子带隙位于150nm。

Claims (12)

1.一种无裂纹光子晶体的制备方法，其是采用在亲水柔性基材上进行化学自组装，其特征是：将单分散胶体微球超声分散于水中，形成含有单分散胶体微球的乳液，其中，单分散胶体微球在乳液中的质量分数为0.01～20wt％；然后将亲水柔性基材竖直放入上述乳液中，利用在亲水柔性基材表面形成的水的弯月面的毛细压力使上述单分散胶体微球组装在上述亲水柔性基材表面，自组装成无裂纹蛋白石结构光子晶体。

2.根据权利要求1所述的无裂纹光子晶体的制备方法，其特征是：所述的乳液中还含有聚合物单体、交联剂及引发剂，该乳液是将聚合物单体、交联剂及引发剂与单分散胶体微球共同超声分散于水中形成的，其中，该乳液中的单分散胶体微球的质量分数为0.01～20wt％，聚合物单体与单分散胶体微球的质量比为0.1∶1～8∶1，聚合物单体∶交联剂∶引发剂的摩尔比为1∶0.01∶0.001～1∶0.06∶0.008；使上述单分散胶体微球自组装在亲水柔性基材表面的同时，聚合物单体在单分散胶体微球间隙热引发聚合成聚合物，得到以单分散胶体微球为骨架，在单分散胶体微球骨架的空隙中填充有聚合物的无裂纹复合蛋白石结构光子晶体。

3.根据权利要求2所述的无裂纹光子晶体的制备方法，其特征是：用溶剂溶解掉复合蛋白石结构光子晶体中作为骨架的单分散胶体微球后，得到无裂纹反蛋白石结构光子晶体。

4.根据权利要求1或2所述的无裂纹光子晶体的制备方法，其特征是：所述的亲水柔性基材的厚度在0.001～0.07cm之间。

5.根据权利要求4所述的无裂纹光子晶体的制备方法，其特征是：所述的亲水柔性基材是铝箔、合金薄片或者是与水的静态接触角小于90°的塑料。

6.根据权利要求5所述的无裂纹光子晶体的制备方法，其特征是：所述的塑料选自聚丙烯酸、聚碳酸酯、聚丙烯酰胺、聚酰亚胺、等离子体处理过的聚二甲基硅氧烷和等离子体处理过的聚氨酯中的一种。

7.根据权利要求1、2或3所述的无裂纹光子晶体的制备方法，其特征是：所述的单分散胶体微球的粒径是80～1100nm；选自单分散聚苯乙烯胶体微球、聚甲基丙烯酸甲酯胶体微球、聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物胶体微球和二氧化硅胶体微球中的一种。

8.根据权利要求2所述的无裂纹光子晶体的制备方法，其特征是：所述的聚合物单体选自丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺和丙烯酸所组成的组中的至少一种；

所述的聚合物选自聚丙烯酰胺、聚异丙基丙烯酰胺和聚丙烯酸所组成的组中的至少一种；

所述的交联剂为N-N’-亚甲基双丙烯酰胺；

所述的引发剂是过硫酸盐和/或偶氮二异丁腈。

9.根据权利要求3所述的无裂纹光子晶体的制备方法，其特征是：所述的溶剂选自甲苯、四氢呋喃、1，4-二氧六环和氢氟酸中的一种。

10.根据权利要求1所述的无裂纹光子晶体的制备方法，其特征是：所述的无裂纹蛋白石结构光子晶体的光子带隙在200～2500nm之间。

11.根据权利要求2所述的无裂纹光子晶体的制备方法，其特征是：所述的无裂纹复合蛋白石结构光子晶体的光子带隙在250～2600nm之间。

12.根据权利要求3所述的无裂纹光子晶体的制备方法，其特征是：所述的无裂纹反蛋白石结构光子晶体的光子带隙在150～2500nm之间。

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