CN106381520A - 一种紫外辐照制备反蛋白石结构光子晶体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紫外辐照制备反蛋白石结构光子晶体的方法。该方法将单分散胶体微球与去离子水混合，超声分散后形成均匀的胶体微球分散液；将基材预先置于塑料比色皿中，将胶体微球分散液浸没基材表面进行垂直沉积自组装，制备得到蛋白石结构光子晶体模板；将高折射率的材料或其前驱体材料，如二氧化硅、硫化锌、氧化锌、硫化银、二氧化钛、三硫化二锑、三氧化二铝等滴加到上述蛋白石结构光子晶体模板上，自然渗透后在室温中干燥，通过紫外辐照的方式除去初始的蛋白石结构光子晶体模板，在基材上获得反蛋白石结构光子晶体。具有制备方法简单、成本低、选材范围广等特点。

Description

一种紫外辐照制备反蛋白石结构光子晶体的方法
技术领域
本发明属于新材料制备领域，具体涉及一种紫外辐照制备反蛋白石结构光子晶体的方法。
背景技术
光子晶体是由两种及两种以上具有不同介电常数(折射率)的介质材料在空间按一定的周期(尺寸在光波长量级)排列所形成的一种人造“晶体”结构，其基本特征是具有能使光传播和分散的光子禁带。特定频率的光照射光子晶体时会在交界面上发生布拉格衍射，产生许多新的物理现象，如结构色现象、超棱镜现象和负折射率介质效应等，因而引起了研究者们的极大关注。作为一类重要的先进光学材料，光子晶体在光通讯、光子器件、平板显示、光子晶体光纤和纺织品着色等方面展现出了巨大的应用前景。
蛋白石和反蛋白石是光子晶体最常见的两种结构，与蛋白石结构光子晶体相比，反蛋白石结构光子晶体最大的优势在于制备材料的选择性广泛、材料折射率的差异容易调节和易实现完全光子带隙，而且比较方便实现光子禁带的多重调制和功能化。目前，反蛋白石晶体的研究领域已经大大拓宽，在可调制光子晶体、仿生学、生物检测等方面得到了广泛的应用。
蛋白石结构光子晶体通常是由胶体粒子随溶剂挥发以立方堆积的形式堆叠而成，而反蛋白石结构的光子晶体通常采用胶体晶体模板法制备。胶体微球自组装形成蛋白石结构的光子晶体模板，通过在胶体粒子的间隙中充填高折射率的材料或其前驱体材料，然后再除去模板而得到反蛋白石结构的光子晶体，呈现一种多孔形貌，即空气小球以面心立方的形式分布于介质中，每个空气小球在之前胶体粒子接触点以小的圆柱形通道连接。其中，常用于去除蛋白石结构光子晶体模板的方法有长时间高温焙烧、溶解或化学腐蚀等。但是，这些方法并不适用于在不耐高温煅烧、溶解或化学腐蚀的基材表面获得反蛋白石结构光子晶体。
发明内容
本发明的目的在于提供一种紫外辐照制备反蛋白石结构光子晶体的方法，针对现有技术中的缺陷，通过紫外辐照的方式去除蛋白石结构光子晶体模板，实现更广范围的基材表面制备反蛋白石结构光子晶体。
为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：
一种紫外辐照制备反蛋白石结构光子晶体的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)蛋白石结构光子晶体模板的制备
将1～10份(以固含量计)单分散胶体微球与100份去离子水混合；超声分散15min，形成均匀的胶体微球分散液；将基材预先置于塑料比色皿中，用胶体微球分散液浸没基材表面，在温度为45～60℃，相对湿度为40～60％的恒温恒湿箱中进行垂直沉积自组装，待溶剂蒸发36～72h后，制备得到蛋白石结构光子晶体模板；
(2)反蛋白石结构光子晶体的制备
将高折射率的材料或其前驱体材料滴加到上述蛋白石结构光子晶体模板上，自然渗透后在室温中干燥，通过紫外辐照的方式除去蛋白石结构光子晶体模板，在基材上获得反蛋白石结构光子晶体结构。
优选后，步骤(1)中单分散胶体微球为纳米聚苯乙烯(PSt)、纳米聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、纳米聚甲基丙烯酸(PMAA)、纳米聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯)(P(St-MMA))、纳米聚(苯乙烯-甲基丙烯酸)(P(St-MAA))、纳米聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)(P(St-MMA-AA))、纳米聚(苯乙烯-丙烯酸丁酯-丙烯酸)(P(St-BA-AA))以及纳米聚(苯乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸)(P(St-BA-MAA))胶体微球中的任意一种、任意两种的组合或任意种的组合。
优选后，基材为玻璃、硅片、钢片、铜片、铝片、锡箔、纺织品、塑料薄膜、纸张。
优选后，步骤(1)中单分散胶体微球的平均粒径为250～500nm。
优选后，步骤(1)中单分散胶体微球的单分散指数小于0.08。
优选后，步骤(1)中单分散胶体微球的球形度良好。
优选后，步骤(2)中高折射率的材料或其前驱体材料为二氧化硅(SiO2)、硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)、硫化银(AgS)、二氧化钛(TiO2)、三硫化二锑(Sb2S3)、三氧化二铝(Al2O3)中的任意一种、任意两种的组合或任意种的组合。
优选后，步骤(2)中高折射率的材料或其前驱体材料平均粒径为15～60nm。
优选后，步骤(2)中高折射率的材料或其前驱体材料的质量分数为5～20％。
优选后，步骤(2)中紫外辐照的紫外灯功率为16～30W，辐照时间为1.5～7h。
由于采用上述技术方案，具有以下有益效果：
本发明通过紫外辐照的方式去除基材上的蛋白石结构光子晶体模板，获得到反蛋白石结构光子晶体，具有制备方法简单、成本低、基材选材范围广等特点。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为涤纶织物原样的SEM图(×100)；
图2为PMMA蛋白石结构光子晶体模板的SEM图；
图3为填充SiO2后的形貌SEM图；
图4为SiO2反蛋白石光子晶体结构的SEM图。
其中，图1至图4均是以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为蛋白石结构光子晶体模板，在涤纶平纹织物上构建SiO2反蛋白石结构光子晶体的扫描电镜图(SEM图)。所用单分散PMMA胶体微球的粒径为315nm，填充的SiO2的粒径21nm，紫外灯功率为24W，紫外辐照时间为3h。
具体实施方式
本发明所述的一种紫外辐照制备反蛋白石结构光子晶体的方法。蛋白石结构光子晶体模板的规整性是决定反蛋白石结构光子晶体的关键因素，在制备过程中要特别注意自组装过程的条件(温度、相对湿度和单分散胶体微球浓度等)，以保证单分散胶体微球顺利完成自组装并形成规整的蛋白石结构光子晶体模板。温度和相对湿度影响自组装液的蒸发速率，单分散胶体微球浓度影响光子晶体结构的规整性。温度及湿度不宜过高或过低，单分散胶体微球浓度要适宜。
下面结合具体的实施例对本发明作进一步说明：
实施例1
(1)将1份(以固含量计)粒径为250nm的单分散PMMA胶体微球(分散系数均小于0.08)与100份去离子水混合，超声分散15min，形成均匀的PMMA胶体微球分散液。
(2)将PMMA胶体微球分散液置于放有涤纶平纹织物的塑料培养皿中，使其浸没织物表面，在60℃，相对湿度50％的恒温恒湿箱中进行垂直沉积自组装，待溶剂蒸发36h后，沉积形成有序的PMMA蛋白石结构光子晶体模板。
(3)用10％粒径为15nm的SiO2胶体微球滴加到PMMA蛋白石结构光子晶体模板上进行渗透，将其常温干燥。
(4)通过辐照16W的紫外灯7h除去初始的PMMA蛋白石结构光子晶体模板，在涤纶平纹织物上得到规整的反蛋白石结构光子晶体。
实施例2
(1)将10份(以固含量计)粒径为315nm的单分散PMMA胶体微球(分散系数小于0.08)与100份去离子水混合，超声分散15min，形成均匀的PMMA胶体微球分散液。
(2)将PMMA胶体微球分散液置于放有涤纶平纹织物的塑料培养皿中，使其浸没织物表面，在45℃，相对湿度60％的恒温恒湿箱中进行垂直沉积自组装。待溶剂蒸发72h后，沉积形成有序的PMMA蛋白石结构光子晶体模板。
(3)用20％粒径为60nm的SiO2胶体微球滴加到PMMA蛋白石结构光子晶体模板上进行渗透，将其常温干燥。
(4)通过辐照30W的紫外灯1.5h除去初始的PMMA蛋白石结构光子晶体模板，在涤纶平纹织物上得到规整的反蛋白石结构光子晶体。
实施例3
(1)将1份(以固含量计)粒径为500nm的单分散PMMA胶体微球(分散系数小于0.08)与100份去离子水混合，超声分散15min，形成均匀的PMMA胶体微球分散液。
(2)将PMMA胶体微球分散液置于放有涤纶平纹织物的塑料培养皿中，使其浸没织物表面，在50℃，相对湿度40％的恒温恒湿箱中进行垂直沉积自组装。待溶剂蒸发48h后，沉积形成有序的PMMA蛋白石结构光子晶体模板。
(3)用5％粒径为30nm的SiO2胶体微球滴加到PMMA蛋白石结构光子晶体模板上进行渗透，将其常温干燥。
(4)通过辐照24W的紫外灯3h除去初始的PMMA蛋白石结构光子晶体模板，在涤纶平纹织物上得到规整的反蛋白石结构光子晶体。
以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种紫外辐照制备反蛋白石结构光子晶体的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)蛋白石结构光子晶体模板的制备
将1～10份单分散胶体微球与100份去离子水混合，以固含量计；超声分散15min，形成均匀的胶体微球分散液；将基材预先置于塑料比色皿中，
用胶体微球分散液浸没基材表面，在温度为45～60℃，相对湿度为40～60％的恒温恒湿箱中进行垂直沉积自组装，待溶剂蒸发36～72h后，制备得到蛋白石结构光子晶体模板；
(2)反蛋白石结构光子晶体的制备
将高折射率的材料或其前驱体材料滴加到上述蛋白石结构光子晶体模板
上，自然渗透后在室温中干燥，通过紫外辐照的方式除去蛋白石结构光子晶体模板，在基材上获得反蛋白石结构的光子晶体。
2.根据权利要求1所述一种紫外辐照制备反蛋白石结构光子晶体的方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述单分散胶体微球为纳米聚苯乙烯、纳米聚甲基丙烯酸甲酯、纳米聚甲基丙烯酸、纳米聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯)、纳米聚(苯乙烯-甲基丙烯酸)、纳米聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)、
纳米聚(苯乙烯-丙烯酸丁酯-丙烯酸)以及纳米聚(苯乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸)胶体微球中的任意一种、任意两种的组合或任意种的组合。
3.根据权利要求1所述一种紫外辐照制备反蛋白石结构光子晶体的方法，其特征在于：所述基材为玻璃、硅片、钢片、铜片、铝片、锡箔、纺织品、塑料薄膜、纸张。
4.根据权利要求1所述一种紫外辐照制备反蛋白石结构光子晶体的方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述单分散胶体微球的平均粒径为250～500nm。
5.根据权利要求1所述一种紫外辐照制备反蛋白石结构光子晶体的方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述单分散胶体微球的单分散指数小于0.08。
6.根据权利要求1所述一种紫外辐照制备反蛋白石结构光子晶体的方法，其特征在于：所述步骤(2)中所述高折射率的材料或其前驱体材料为二氧化硅、硫化锌、氧化锌、硫化银、二氧化钛、三硫化二锑、三氧化二铝中的任意一种、任意两种的组合或任意种的组合。
7.根据权利要求1所述一种紫外辐照制备反蛋白石结构光子晶体的方法，其特征在于：所述步骤(2)中所述高折射率的材料或其前驱体材料平均粒径为15～60nm。
8.根据权利要求1所述一种紫外辐照制备反蛋白石结构光子晶体的方法，其特征在于：所述步骤(2)中所述高折射率的材料或其前驱体材料的质量分数为5～20％。
9.根据权利要求1所述一种紫外辐照制备反蛋白石结构光子晶体的方法，其特征在于：所述步骤(2)中所述紫外辐照的紫外灯功率为16～30W，辐照时间为1.5～7h。
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