CN103143304A - 一种一维光子晶体微球及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一维光子晶体微球，包括球形内核和一维光子晶体，所述一维光子晶体包裹所述球形内核，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球形内核表面上，以及所述一维光子晶体微球的制备方法。通过上述方式，本发明能够使微球具有一维光子晶体特性。

Description

一种一维光子晶体微球及其制备方法

技术领域

本发明涉及一维光子晶体制备技术领域，特别是涉及一种一维光子晶体微球及其制备方法。 

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。 

珍珠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珍珠的有机无机交替排列有序的层状结构。天然珍珠层状结构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珍珠结构新型材料的工作，但是这些工作都局限在平面上自组装制备层状有序的复合薄膜，真正仿生制备球状珍珠结构的工作鲜有问世。 

同样的，一维光子晶体也是由层状有序结构构成的，它是不同折射率的介质在一维维度上周期性排列形成的微结构。自然界中如蝴蝶的翅膀和贝壳中就存在这样的一维光子晶体结构，这样的光子晶体结构通常都具有鲜亮的结构色。但是，人工制备一维光子晶体的工作同样局限于在平面制备一维光子晶体，球面的一维光子晶体工作仍然是空白。 

将天然珍珠和光子晶体的层状有序结构结合起来并且制备具有一维光子晶体微球结构的仿生人造珍珠，既可以成功的人工复制出天然珍珠的有序层状结构，又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

本发明目的在于提供一种具有一维光子晶体结构的一维光子晶体微球，它同时解决了人工难以仿生制备球形仿珍珠层状结构以及人工难以制备球形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：提供一种一维光子晶体微球，包括球形内核和一维光子晶体，所述一维光子晶体包裹所述球形内核，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球形内核表面上。 

在本发明一个较佳实施例中，所述球形内核的材料选自金属氧化物、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，所述球形内核的直径为1 mm至20 mm。 

在本发明一个较佳实施例中，所述一维光子晶体的单层厚度为10 nm至200 nm，所述一维光子晶体具有一种或多种可调的光子禁带。 

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种制备所述一维光子晶体微球的方法，包括以下步骤： 

首先，核体微球材料的选择步骤：

选择核体直径在10 nm至2000 nm之间的纳米微球作为制备一维光子晶体微球的内核，并且挑选出球形较好的微球；

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：

将挑选出的核体微球材料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，从而在核体微球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。

本发明的有益效果是：本发明具有一维光子晶体结构的一维光子晶体微球同时具有良好的结构色色彩和机械性能。 

附图说明

图1是本发明一维光子晶体微球结构示意图； 

附图中各部件的标记如下：1、球形内核；2、一维光子晶体。

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，本发明实施例提供如下技术方案 

在一个实施例中，提供一种一维光子晶体微球，包括球形内核1和一维光子晶体2，所述一维光子晶体2包裹所述球形内核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交替组装在球形内核1表面上。 

优选的，所述球形内核1的材料选自金属氧化物、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，所述球形内核1的直径为1 mm至20 mm的纳米微球。 

优选的，所述一维光子晶体2的单层厚度为10 nm至200 nm。 

优选的，所述一维光子晶体2具有一种或多种可调的光子禁带，光子禁带通过调节光子晶体周期单层的物理厚度实现。 

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种制备所述一维光子晶体微球的方法，包括以下步骤： 

首先，核体微球材料的选择步骤：

选择核体直径在10 nm至2000 nm之间的纳米微球作为制备一维光子晶体2微球的内核，并且挑选出球形较好的微球；

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构的制备步骤：

将挑选出的核体微球材料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，从而在核体微球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。

优选的，所述一维光子晶体2微球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的层状堆叠需要经过一个干燥和固化的过程。 

实施例1 具有一维光子晶体2结构的一维光子晶体2微球的制备 

该一维光子晶体2结构的一维光子晶体2微球，包括核体微球部分，以及包覆在微球外呈层状堆叠结构的一维光子晶体2部分。所述的一维光子晶体2结构的一维光子晶体2微球是在核体微球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，从而制备出具有一维光子晶体2结构的一维光子晶体2微球。所述的核体微球部分为金属氧化物、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。所述的作为一维光子晶体2结构的一维光子晶体2微球，其特征在于所述的一维光子晶体2微球结构制备过程中，每一单层的制备都需要经过一个干燥和固化的过程。

该人造珍珠通过以下步骤制备： 

原料配方如下：

原料	尺寸及浓度
		二氧化硅纳米粒子(SiO2)	500 nm
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）核体微球材料的选择步骤：

选择核体直径500 nm的带负电荷的SiO2纳米微球作为制备一维光子晶体2微球的内核，并且挑选出球形较好的微球。

（2）不同折射率介质溶液的配制步骤： 

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

（3）一维光子晶体2的制备步骤 

将直径500 nm的带负电荷的SiO2纳米微球浸入带正电荷的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SiO2纳米微球浸入带负电荷的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微球。

实施例2 具有一维光子晶体2的一维光子晶体2微球的制备 

  原料配方如下：

原料	尺寸及浓度
		二氧化硅纳米粒子(SiO2)	500 nm
聚苯乙烯磺酸钠(PSS)	0.5 mol/L
		聚乙烯亚胺(PEI)	0.5 mol/L

（1）核体微球材料的选择步骤：

选择核体直径500 nm的带负电荷的SiO2纳米微球作为制备一维光子晶体2微球的内核，并且挑选出球形较好的微球。

（2）不同折射率介质溶液的配制步骤： 

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

将直径500 nm的带负电荷的SiO2纳米微球浸入带正电荷的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SiO2纳米微球浸入带负电荷的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）一维光子晶体2结构的仿生人造珍珠结构的干燥步骤 

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，得到具有一维光子晶体2结构的一维光子晶体2微球。

实施例3 具有一维光子晶体2结构的一维光子晶体2微球的制备 

  原料配方如下：

原料	尺寸及浓度
		二氧化硅纳米粒子(SiO2)	500 nm
氧化石墨烯(GO)	0.25 mg/mL
		二氧化钛(TiO2)	0.2 mg/mL

（1）核体微球材料的选择步骤：

选择核体直径500 nm的SiO2纳米微球作为制备一维光子晶体2结构的一维光子晶体2微球的内核，并且挑选出球形较好的微球。

（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 

将直径500 nm的SiO2纳米微球浸入GO溶液中10 min，在SiO2纳米微球表面包覆形成带GO膜层，取出用N2吹干固化；接着将包覆有GO的SiO2纳米微球浸入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微球结构。

本发明通过具有一维光子晶体结构的一维光子晶体微球，解决了人工难以仿生制备球形仿珍珠层状结构以及人工难以制备球形一维光子晶体结构的问题，具有良好的结构色颜色和机械性能 

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 (6)

1.一种一维光子晶体微球，其特征在于，包括球形内核和一维光子晶体，所述一维光子晶体包裹所述球形内核，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球形内核表面上。

2.根据权利要求1所述的一维光子晶体微球，其特征在于，所述球形内核的材料选自金属氧化物、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。

3.根据权利要求1所述的一维光子晶体微球，其特征在于，所述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。

4.根据权利要求1所述的一维光子晶体微球，其特征在于，所述球形内核的直径为1 mm至20 mm。

5.根据权利要求1所述的一维光子晶体微球，其特征在于，所述一维光子晶体的单层厚度为10 nm至200 nm，所述一维光子晶体具有一种或多种可调的光子禁带。

6.一种制备权利要求1-5任一所述一维光子晶体微球的方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先，核体微球材料的选择步骤：

选择核体直径在10 nm至2000 nm之间的纳米微球作为制备一维光子晶体微球的内核，并且挑选出球形较好的微球；

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：

将挑选出的核体微球材料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，从而在核体微球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。