CN103127887B - 一种角度无偏一维光子晶体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种角度无偏一维光子晶体，包括平面模板和一维光子晶体，所述平面模板含有凸出球面或凹陷球面，所述一维光子晶体由不同折射率的介质材料层状有序堆叠而成，所述一维光子晶体交替组装在平面模板表面上，以及所述角度无偏一维光子晶体的制备方法。通过上述方式，本发明一维光子晶体结构的颜色不随观察视角的改变而发生变化，具有颜色鲜亮，制备简单等优点。

Description

一种角度无偏一维光子晶体及其制备方法

技术领域

本发明涉及一维光子晶体制备技术领域，特别是涉及一种角度无偏一维光子晶体及其制备方法。

背景技术

自然界中的生命具有亿万年的进化历史，向自然学习是新材料发展永恒的主题，从生物中获得启发实现微观和宏观的统一，模拟生物体特异性功能的某一个方面，实现新材料的设计和制备，是向自然学习的新理念。

蝴蝶翅膀是自然界中天然存在的层状多级结构复合材料，其优异的机械性能来源于构成蝴蝶翅膀的有机无机材料交替排列有序的层状结构。自然界中蝴蝶翅膀的仿生制备和应用一直是大家研究的热点，已经出现了通过有机分子自组装模拟生物矿化作用制备蝴蝶翅膀的工作。

经过十多年的长足发展，一维光子晶体以其独特的光学性能在各个方面都发挥着越来越重要的作用。然而一维光子晶体反射峰强烈的角度依赖性虽然在某些功能材料领域体现了其独特魅力，但该特性则严重制约了其显示及传感领域的发展。为了解决一维光子晶体观察视角的依赖性，围绕可用于可视化检测的角度无偏的一维光子晶体展开了大量的研究工作，但是这些工作都局限在平面水平基底上自组装制备层状有序的复合薄膜，含凸出球面或凹陷球面的平面模板的角度无偏一维光子晶体的工作鲜有问世。

将天然蝴蝶翅膀和一维光子晶体的层状有序结构结合起来并且制备具有角度无偏特性的一维光子晶体结构，可以成功的人工复制出天然蝴蝶翅膀的有序层状结构。而含凸出球面或凹陷球面的平面模板上制备的一维光子晶体由于其半球形对称结构，而表现出角度无偏的特性，可以具备一维光子晶体鲜亮的结构色，实现了良好的机械性能和光学性能的完美结合。

发明内容

本发明提供一种角度无偏一维光子晶体结构，它同时解决了人工难以仿生制备蝴蝶翅膀层状结构以及人工难以制备角度无偏一维光子晶体结构的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种角度无偏一维光子晶体，包括平面模板和一维光子晶体，所述平面模板含有凸出球面或凹陷球面，所述一维光子晶体由不同折射率的介质材料层状有序堆叠而成，所述一维光子晶体交替组装在平面模板表面上。

在本发明一个较佳实施例中，所述不同折射率的介质选择自金属氧化物、无机盐、聚电解质、嵌段聚合物、共聚物、液晶材料、介孔纳米粒子中的一种或多种的组合。

在本发明一个较佳实施例中，所述平面模板选自金属氧化物、无机盐、聚电解质、嵌段聚合物、共聚物、液晶材料、介孔纳米粒子、金、银材料中的一种。

在本发明一个较佳实施例中，所述平面模板厚度为1 mm至200 mm。

在本发明一个较佳实施例中，所述一维光子晶体的单层的厚度为10 nm至200 nm，所述一维光子晶体的光子禁带为200nm-2000nm。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种制备所述角度无偏一维光子晶体的方法，包括以下步骤：

首先，含凸出球面或凹陷球面平面模板的选择步骤：

选择厚度在1 mm至200 mm之间的含凸出球面或凹陷球面的平面模板作为制备角度无偏一维光子晶体的基底材料；

其次，不同折射率介质溶液的配制步骤：

选择具有不同折射率两种介质，制备成尺寸10 nm至200 nm范围内的介质材料的溶液或者溶胶，其浓度在1 % - 99 %之间；

再次，一维光子晶体结构的制备步骤

将挑选出的含凸出球面或凹陷球面的平面模板依次交替浸入具有两种不同折射率的介质配制成的溶液或者溶胶中，反复包覆多次，从而在凸出球面或凹陷球面平面模板表面形成折射率周期性变化的层层堆叠结构，其中每一层介质的厚度在10 nm至200 nm之间，层数在1层至200层之间；

第四，角度无偏一维光子晶体的干燥步骤：

将制备得到的层层堆叠的折射率周期性变化的结构在N2保护的烘箱中适当温度下烘干，得到具有角度无偏性质的一维光子晶体。

  在本发明一个较佳实施例中，所述一维光子晶体制备过程中，一维光子晶体的层状堆叠过程需要经过一个干燥和固化的过程。

本发明的有益效果是：本发明一维光子晶体结构的颜色不随观察视角的改变而发生变化，具有颜色鲜亮，制备简单等优点。

附图说明

图1是本发明含有凹陷球面模板组装的一维光子晶体示意图；

图2是本发明含有凸出球面模板组装的一维光子晶体示意图；

附图中各部件的标记如下：1、凹陷球面；2、一维光子晶体；3、凸出球面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1和图2，本发明实施例提供如下技术方案：

在一个实施例中，为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种角度无偏一维光子晶体2，包括平面模板和一维光子晶体2，所述平面模板含有凸出球面3或凹陷球面1，所述一维光子晶体2由不同折射率的介质材料层状有序堆叠而成，所述一维光子晶体2交替组装在平面模板表面上。

优选的，所述不同折射率的介质选择自金属氧化物、无机盐、聚电解质、嵌段聚合物、共聚物、液晶材料、介孔纳米粒子中的一种或多种的组合。

优选的，所述平面模板选自金属氧化物、无机盐、聚电解质、嵌段聚合物、共聚物、液晶材料、介孔纳米粒子、金、银材料中的一种。

优选的，所述平面模板厚度为1 mm至200 mm。

优选的，所述一维光子晶体2的单层的厚度为10 nm至200 nm，所述一维光子晶体2的光子禁带为200nm-2000nm，所述光子禁带不随观察者视角的改变而改变，只与一维光子晶体2的周期有关。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种制备所述角度无偏一维光子晶体2的方法，包括以下步骤：

首先，含凸出球面3或凹陷球面1平面模板的选择步骤：

选择厚度在1 mm至200 mm之间的含凸出球面3或凹陷球面1的平面模板作为制备角度无偏一维光子晶体2的基底材料；

其次，不同折射率介质溶液的配制步骤：

选择具有不同折射率两种介质，制备成尺寸10 nm至200 nm范围内的介质材料的溶液或者溶胶，其浓度在1 % - 99 %之间；

再次，一维光子晶体2结构的制备步骤：

将挑选出的含凸出球面3或凹陷球面1的平面模板依次交替浸入具有两种不同折射率的介质配制成的溶液或者溶胶中，反复包覆多次，从而在凸出球面3或凹陷球面1平面模板表面形成折射率周期性变化的层层堆叠结构，其中每一层介质的厚度在10 nm至200 nm之间，层数在1层至200层之间；

第四，角度无偏一维光子晶体2的干燥步骤

将制备得到的层层堆叠的折射率周期性变化的结构在N2保护的烘箱中适当温度下烘干，得到具有角度无偏性质的一维光子晶体2。

优选的，所述一维光子晶体2的制备方法包括化学气相沉积、浸润涂膜、旋转涂膜、溶液自组装、全系聚合、朗缪尔-布罗切特自组装法或层层自组装法。

优选的，所述一维光子晶体2制备过程中，一维光子晶体2的层状堆叠过程需要经过一个干燥和固化的过程。

实施例1 角度无偏一维光子晶体2的制备

该角度无偏一维光子晶体2，包括含凸出球面3的平面模板部分，以及包覆在凸出球面3的平面模板外呈层状堆叠结构的一维光子晶体2部分。所述的角度无偏一维光子晶体2结构是在凸出球面3的平面模板外表面交替组装具有不同折射率的介质材料，形成层状有序的一维光子晶体2结构，从而制备出角度无偏一维光子晶体2。所述的凸出球面3平面模板部分为金属氧化物、无机盐、聚电解质、嵌段聚合物、共聚物、液晶材料、介孔纳米粒子、金、银材料。所述的层状堆叠结构的一维光子晶体2部分为是由不同折射率的介质组成，不同折射率的介质选择自金属氧化物、无机盐、聚电解质、嵌段聚合物、共聚物、液晶材料、介孔纳米粒子或它们的组合，所述的介质包含或者不包含溶胶、凝胶及纳米粒子材料。所述的角度无偏一维光子晶体2，其特征在于所述的角度无偏一维光子晶体2制备过程中，每一单层的制备都需要经过一个干燥和固化的过程。

该角度无偏一维光子晶体2通过以下步骤制备：

原料配方如下：

原料	尺寸及浓度
		硅片(Si)	5 mm
聚苯乙烯磺酸钠(PSS)	0.02 mol/L
		聚烯丙基铵盐酸盐(PAH)	0.02 mol/L

（1）凸出球面3平面模板材料的选择步骤：

选择含凸出球面3的5 mm硅片平面模板作为制备角度无偏一维光子晶体2的模板。

（2）不同折射率介质溶液的配制步骤：

在室温下分别配制 0.02 mol/L的PSS的NaCl溶液，用盐酸调节pH值至2.1；0.02 mol/L PAH的NaCl溶液，用盐酸调节pH值至2.3。

（3）一维光子晶体2结构的制备步骤

将含凸出球面3的5 mm硅片平面模板浸入带正电荷的PAH溶液中10 min，在静电作用下形成带正点荷的膜层，取出用超纯水冲洗1 min；接着将包覆有正电荷PAH膜层的含凸出球面3的5 mm硅片平面模板浸入带负电荷的PSS溶液中10 min，在静电作用下形成带负电荷的膜层，取出用超纯水冲洗1 min。重复着两个静电自组装操作，制备得到100层的多层膜，形成层状堆叠结构的一维光子晶体2结构。

（4）角度无偏一维光子晶体2的干燥步骤

将由步骤（3）制备得到的层层堆叠的折射率周期性变化的结构在N2保护的烘箱中适当温度下烘干，得到具有角度无偏特性的一维光子晶体2结构。

实施例2 角度无偏一维光子晶体2的制备

  原料配方如下：

原料	尺寸及浓度
		玻璃(SiO2)	10 mm
聚苯乙烯磺酸钠(PSS)	0.5 mol/L
		聚乙烯亚胺(PEI)	0.5 mol/L

（1）凸出球面3平面模板材料的选择步骤：

选择含凸出球面3的10 mm玻璃平面模板作为制备角度无偏一维光子晶体2的模板。

（2）不同折射率介质溶液的配制步骤：

在室温下分别配制 0.5 mol/L的PSS的NaCl溶液，用盐酸调节pH值至2.1；0.5 mol/L PEI的NaCl溶液，用盐酸调节pH值至2.3。

（3）一维光子晶体2结构的制备步骤

将含凸出球面3的10 mm玻璃平面模板浸入带正电荷的PEI溶液中10 min，在静电作用下形成带正点荷的膜层，取出用超纯水冲洗1 min；接着将包覆有正电荷PEI膜层的含凸出球面3的10 mm玻璃平面模板浸入带负电荷的PSS溶液中10 min，在静电作用下形成带负电荷的膜层，取出用超纯水冲洗1 min。重复着两个静电自组装操作，制备得到100层的多层膜，形成层状堆叠结构的一维光子晶体2结构。

（4）角度无偏一维光子晶体2的干燥步骤

将由步骤（3）制备得到的层层堆叠的折射率周期性变化的结构在N2保护的烘箱中适当温度下烘干，得到具有角度无偏特性的一维光子晶体2结构。

实施例3角度无偏一维光子晶体2的制备

  原料配方如下：

原料	尺寸及浓度
		石英(quartz)	50 mm
氧化石墨烯(GO)	0.25 mg/mL
		二氧化钛(TiO2)	0.2 mg/mL

（1）凹陷球面1平面模板材料的选择步骤

选择含凹陷球面1的50 mm石英平面模板作为制备角度无偏一维光子晶体2的模板。

（2）不同折射率介质溶液的配制步骤：

在室温下分别配制0.25 mg/mL的GO的水溶液；0.2 mg/mL的 TiO2异丙醇溶液。

（3）一维光子晶体2结构的制备步骤

将含凹陷球面1的50 mm石英平面模板浸入GO溶液中10 min，在含凹陷球面1的50 mm石英平面模板表面包覆形成带GO膜层，取出用N2吹干固化；接着将包覆有GO的含凹陷球面1的50 mm石英平面模板浸入TiO2异丙醇溶液中10 min，在GO膜层外包覆TiO2膜层，取出用用N2吹干固化。重复着两包覆组装操作，制备得到20层的多层膜，形成层状堆叠结构的一维光子晶体2结构。

（4）角度无偏一维光子晶体2的干燥步骤

将由步骤（3）制备得到的层层堆叠的折射率周期性变化的结构在N2保护的烘箱中适当温度下烘干，得到角度无偏一维光子晶体2。

本发明通过具有角度无偏特性的一维光子晶体，实现了同时具有良好的结构色色彩和机械性能，达到了色彩不随观察者的视角变化而变化的效果。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1. 一种角度无偏一维光子晶体，其特征在于，包括平面模板和一维光子晶体，所述平面模板含有凸出球面或凹陷球面，所述一维光子晶体由不同折射率的介质材料层状有序堆叠而成，所述一维光子晶体交替组装在平面模板表面上，所述一维光子晶体的单层的厚度为10 nm至200nm，所述一维光子晶体的光子禁带为200nm-2000nm，所述光子禁带不随观察者视角的改变而改变，只与一维光子晶体的周期有关；所述角度无偏一维光子晶体的制备方法包括以下步骤：

首先，含凸出球面或凹陷球面平面模板的选择步骤：

选择厚度在1 mm 至200 mm 之间的含凸出球面或凹陷球面的平面模板作为制备角度无偏一维光子晶体的基底材料；

其次，不同折射率介质溶液的配制步骤：

选择具有不同折射率两种介质，制备成尺寸10 nm 至200 nm 范围内的介质材料的溶液或者溶胶，其浓度在1 % - 99 % 之间；

再次，一维光子晶体结构的制备步骤：

将挑选出的含凸出球面或凹陷球面的平面模板依次交替浸入具有两种不同折射率的介质配制成的溶液或者溶胶中，反复包覆多次，从而在凸出球面或凹陷球面平面模板表面形成折射率周期性变化的层层堆叠结构，其中每一层介质的厚度在10 nm 至200 nm 之间，层数在1 层至200 层之间；

第四，角度无偏一维光子晶体的干燥步骤：

将制备得到的层层堆叠的折射率周期性变化的结构在N2 保护的烘箱中适当温度下烘干，得到具有角度无偏性质的一维光子晶体。

2. 根据权利要求1 所述的角度无偏一维光子晶体，其特征在于，所述不同折射率的介质选择自金属氧化物、无机盐、聚电解质、嵌段聚合物、液晶材料、介孔纳米粒子中的一种或多种的组合。

3.根据权利要求1 所述的角度无偏一维光子晶体，其特征在于，所述平面模板选自金属氧化物、无机盐、聚电解质、嵌段聚合物、液晶材料、介孔纳米粒子、金、银材料中的一种。

4. 根据权利要求1 所述的角度无偏一维光子晶体，其特征在于，所述平面模板厚度为1mm至200mm。

5.根据权利要求1 所述的角度无偏一维光子晶体，其特征在于，所述一维光子晶体制备过程中，一维光子晶体的层状堆叠过程需要经过一个干燥和固化的过程。