CN106908898B - 一种光子晶体的制备方法以及由该方法制备的光子晶体 - Google Patents

一种光子晶体的制备方法以及由该方法制备的光子晶体 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光子晶体的制备方法，包括提供含有单分散颗粒、表面活性剂和溶剂的乳液；将乳液施用于基底需要形成光子晶体的表面，以形成液体图案，乳液对基底需要形成光子晶体的表面的接触角为30‑120°；将具有液体图案的基底干燥，得到光子晶体，干燥的温度和干燥的时间使得Pe满足2＜Pe＜10或者满足0＜Pe＜0.4，Pe＝(3h2ηr/tf 2kBTt)1/2。该方法成本低且制备效率高，制备的光子晶体图案膜的反射光谱中，半峰宽更窄，能达到30‑60nm，获得的光子晶体图案膜的表面更为平整，组装质量更高，因而颜色更为鲜明；同时能获得更薄的光子晶体图案膜。该方法适用性强，适用于多种基底和多种制备工艺。

Description

一种光子晶体的制备方法以及由该方法制备的光子晶体
技术领域
本发明涉及光子晶体制备技术领域。
背景技术
光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体，它是材料学、光学原理与集成技术以及微/纳米光电子技术相结合的一类新兴材料，是下一代光电器件和光子集成电路的发展趋势。由于光子晶体对光子具有类似于半导体对电子的调控作用，因此也被称为“光半导体”，在光子计算机，激光谐振腔、光波导通讯、结构色显示、光催化反应器、太阳能电池、燃料电池、化学和生物传感等领域具有广泛的应用前景。
人们通过自然界中存在的少量具有结构色彩的物质中发现了光子晶体的结构。光子晶体在科学应用中，不仅要求具有光学尺度的周期性介电结构，以获得类似电子禁带的光子带隙，而且要求其介电常数与周围介质的介电常数的对比足够大，材料对辐射的吸收应尽量低。
目前，光子晶体的制备方法很多，主要有两种途径。一类是自上而下(Top-down)的方法，主要依靠刻蚀等机械加工的方法实现，尽管精度高，但是效率低，而且成本高。另一类是自下而上(Bottom-up)的方法，也就是以胶体粒子为基本结构单元或组装模块，通过物理化学方法自组装或可控组装，形成有序的结构排列。自下而上的方法与机械加工的方法相比，具有效率高且成本低等优势。但是，相对于实际应用，自下而上的方法的制备效率仍然偏低，所形成的光子晶体一般缺陷也较多，能够形成的结构也较为有限，并且所形成的光子晶体也很难在保证光子晶体质量的条件下实现多种多样的图案。
因此，如何实现以更低的成本，更高效地制备具有较高质量的光子晶体仍然是一个亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的光子晶体制备方法存在的不足，提供一种光子晶体图案的制备方法，与自上而下的制备方法相比，该方法能以较低的成本和更高的效率，制备具有较高质量的光子晶体图案。
根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种光子晶体的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)提供一种乳液，所述乳液含有至少一种单分散颗粒、至少一种表面活性剂和至少一种溶剂；
(2)将所述乳液施用于基底需要形成光子晶体的表面，以在该表面形成液体图案，所述乳液对基底需要形成光子晶体的表面的接触角为30°至120°，优选为40°至60°；以及
(3)将具有所述液体图案的基底进行干燥，以脱除所述液体图案中的溶剂，得到光子晶体，其中，所述干燥的温度为T，脱除所述液体图案中的溶剂所需的干燥时间为tf，T和tf使得Pe满足以下关系式I和关系式II中的一者：
关系式I：2＜Pe＜10，
关系式II：0＜Pe＜0.4，
其中，
h为液体图案的厚度，以m计，
η为所述乳液中的溶剂在温度T下的动力粘度，以Pa·s计，
r为所述乳液中的单分散颗粒的水力半径，以m计，
tf为脱除所述液体图案中的溶剂所需的干燥时间，以s计，
kB为玻尔兹曼常数，以J/K计，
T为干燥的温度，以K计，
t为时间间隔，取值为1s。
根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种反蛋白石结构光子晶体图案的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)采用本发明第一个方面所述的方法制备光子晶体图案，其中，所述乳液中的单分散颗粒选自有机颗粒，在基底表面形成的液体图案为点阵；
(2)在光子晶体点阵的间隙沉积氧化物颗粒和/或氧化物前驱体颗粒后，进行焙烧。
根据本发明的第三个方面，本发明提供了由本发明第一个方面或者第二个方面所述的方法制备的光子晶体。
与自上而下的制备方法相比，根据本发明的光子晶体图案的制备方法的成本低且制备效率高。
与现有的自下而上的制备方法相比，采用本发明的方法制备的光子晶体图案具有以下优势：
(1)光子晶体图案膜的反射光谱中，半峰宽更窄，能达到30-60nm，甚至能达到30-40nm，且获得的光子晶体图案膜的表面更为平整，因而光子晶体图案的颜色更为鲜明；
(2)能获得更薄的光子晶体图案膜，一方面能满足对光子晶体图案膜的厚度要求较小的使用场合的要求，另一方面还能降低由于膜厚度增加而引发的裂纹数量；
(3)适用性强，不仅适用于多种类型的基底，而且可以采用多种方法在不同基底表面形成具有不同形态的液体图案。
另外，根据本发明的方法简单快速，使用的原料来源广泛，适于规模化实施。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1用于说明实施例1制备的光子晶体，其中，图1a用于说明制备的光子晶体的点阵图案，图1b为制备的光子晶体图案的扫描电镜照片，图1c为制备的光子晶体图案的紫外-可见光谱图，图1d用于说明制备的光子晶体由紫外-可见光谱图确定的半峰宽。
图2是实施例3制备的具有反蛋白石结构的光子晶体的扫描电镜照片。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供了一种光子晶体的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)提供一种乳液，所述乳液含有至少一种单分散颗粒、至少一种表面活性剂和至少一种溶剂；
(2)将所述乳液施用于基底需要形成光子晶体的表面，以在该表面形成液体图案，所述乳液对基底需要形成光子晶体的表面的接触角为30°至120°，优选为40°至60°，更优选为40°至50°；以及
(3)将具有所述液体图案的基底进行干燥，以脱除所述液体图案中的溶剂，得到光子晶体。
本发明中，“至少一种”是指一种或两种以上。
所述单分散颗粒具有与空气不同的光折射率，可以为光子晶体制备领域常用的单分散颗粒，本发明对此没有特别限定，可以根据制备的光子晶体的具体使用场合进行选择。具体地，所述单分散颗粒可以为有机颗粒、无机颗粒、有机-无机复合颗粒和量子点中的一种或两种以上的组合。采用一种单分散颗粒可以制备颜色均一的光子晶体。在制备具有不同色彩的光子晶体时，可以将对空气具有不同光折射率的两种以上单分散颗粒组合使用。
所述无机颗粒可以为金属单质颗粒、非金属单质颗粒和氧化物颗粒中的一种或两种以上的组合。所述金属单质颗粒可以为贵金属单质颗粒，也可以为非贵金属单质颗粒，其具体实例可以包括但不限于铂颗粒、金颗粒、银颗粒和铜颗粒。所述非金属单质颗粒的具体实例可以包括但不限于碳颗粒和硅颗粒。所述氧化物颗粒的具体实例可以包括但不限于氧化锌颗粒、氧化铁颗粒、四氧化三铁颗粒、氧化钛颗粒和氧化硅颗粒。
所述有机颗粒可以为人工合成大分子颗粒和/或天然大分子颗粒，如人工聚合物颗粒、天然聚合物颗粒和生物大分子颗粒。所述聚合物颗粒可以为通过链式聚合、开环聚合和缩合聚合中的一种或多种方法聚合形成的聚合物颗粒。具体地，所述有机颗粒的实例可以包括但不限于具有核壳结构的聚合物颗粒、聚苯乙烯颗粒、聚丙烯酸颗粒和聚甲基丙烯酸甲酯颗粒中的一种或两种以上。所述具有核壳结构的聚合物颗粒是指具有核心和壳层，并且核心和壳层通过化学键键合在一起的聚合物颗粒，所述核心可以为聚苯乙烯，所述壳层可以为丙烯酸型单体形成的聚合物，如聚丙烯酸、聚丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸甲酯中的一种或两种以上的组合形成的聚合物。
所述有机-无机复合物颗粒是指由有机分子与无机物形成的颗粒，可以为有机物包覆的无机颗粒(即，颗粒的核心为无机物，在核心的至少部分表面包覆有机物)和/或无机物包覆的有机物颗粒(即，颗粒的核心为有机物，在核心的至少部分表面包覆无机物)。
对于无机物包覆的有机物颗粒，其核心可以为人工合成大分子颗粒和/或天然大分子颗粒，如人工聚合物颗粒、天然聚合物颗粒和生物大分子颗粒。所述聚合物颗粒可以为通过链式聚合、开环聚合和缩合聚合中的一种或多种方法聚合形成的聚合物颗粒。所述有机颗粒的具体实例可以包括但不限于聚苯乙烯颗粒、聚丙烯酸颗粒和聚甲基丙烯酸甲酯颗粒中的一种或两种以上。包覆在核心的至少部分表面的无机物的种类可以根据光子晶体的具体使用场合进行选择，可以为金属单质、非金属单质和氧化物中的一种或两种以上，如铂、金、银、铜、硅、碳和氧化硅。
对于有机物包覆的无机物颗粒，其核心可以为金属单质、非金属单质和氧化物中的一种或两种以上，如铂、金、银、铜、硅、碳和氧化硅，包覆在核心的至少部分表面的有机物用于改善无机物颗粒的表面性能和/或赋予无机物颗粒以新的功能，可以为人工合成大分子、天然大分子和功能小分子中的一种或两种以上。在一个实例中，包覆在核心的至少部分表面的有机物为一种或两种以上具有烯键式不饱和双键的化合物通过链式聚合形成的聚合物，其具体实例可以包括但不限于聚苯乙烯、聚丙烯酸、聚丙烯酸甲酯和聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或两种以上。在另一个实例中，包覆在核心的至少部分表面的有机物为DNA分子。在又一个实例中，包覆在核心的至少部分表面的有机物为有机荧光分子。在另外一个实例中，包覆在核心的至少部分表面的有机物为功能小分子。
所述单分散颗粒的平均颗粒尺寸可以在较宽的范围内变动，以使该单分散颗粒能在水中形成稳定的乳液为准。一般地，所述单分散颗粒的平均颗粒尺寸可以为5nm至1μm，优选为50nm至500nm，更优选为100nm至400nm，进一步优选为190nm至280nm。所述单分散颗粒中的“单分散”是指颗粒的颗粒尺寸分布窄。一般地，所述单分散颗粒的粒径波动在5％以内(即，粒径分布的标准偏差在5％以内)。本发明实施例中使用的单分散颗粒的粒径分布的标准偏差均在5％以内。本发明中，平均颗粒尺寸以及粒径分布的标准偏差均由体积平均粒径确定，采用激光粒度仪测定。
所述单分散颗粒可以商购得到，也可以采用常规方法制备，本文不再详述。
所述乳液中，相对于100重量份溶剂，所述单分散颗粒的含量可以为0.1-45重量份，优选为0.1-20重量份，更优选为0.1-10重量份，进一步优选为0.5-5重量份，更进一步优选为1-3重量份。
所述表面活性剂的种类可以根据单分散颗粒的类型进行选择，可以选自阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂和两性离子表面活性剂。
所述阳离子表面活性剂可以为一种或两种以上季铵盐型阳离子表面活性剂，其具体实例可以包括但不限于十六烷基三甲基溴化铵和/或十八烷基二甲基苄基氯化铵。
所述阴离子表面活性剂可以为羧酸盐型阴离子表面活性剂、磺酸盐型阴离子表面活性剂、硫酸酯盐型阴离子表面活性剂和磷酸酯盐型阴离子表面活性剂中的一种或两种以上的组合。所述阴离子表面活性剂的具体实例可以包括但不限于十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠和硬脂酸钠中的一种或两种以上的组合。
所述两性离子表面活性剂可以为氨基酸型两性离子表面活性剂、甜菜碱型两性离子表面活性剂和卵磷脂型两性离子表面活性剂中的一种或两种以上。所述甜菜碱型两性离子表面活性剂可以为羧酸基甜菜碱、磺酸基甜菜碱、磷酸酯甜菜碱和咪唑啉型甜菜碱。
所述非离子表面活性剂可以为聚氧乙烯型非离子表面活性剂和/或多元醇型非离子表面活性剂。所述非离子表面活性剂的具体实例可以包括但不限于烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、脂肪酸甲酯乙氧基化物、聚丙二醇的环氧乙烷加成物、失水山梨醇酯、蔗糖酯、烷基醇酰胺和非离子氟碳表面活性剂中的一种或两种以上。
所述表面活性剂的作用在于使单分散颗粒在溶剂中形成稳定的乳液，本领域技术人员可以根据单分散颗粒的种类以及溶剂的种类进行选择。根据形成乳液的原料的种类选择表面活性剂的种类的方法是本领域技术人员所熟知的，本文不再详述。
在所述乳液中，表面活性剂的含量以能使单分散颗粒形成稳定的乳液为准。一般地，相对于100重量份单分散颗粒，所述表面活性剂的含量可以为1×10-6至1×10-4重量份，优选为1×10-5至1×10-4重量份，更优选为1×10-5至5×10-5重量份，如1×10-5至2×10-5重量份。
所述溶剂的种类可以根据基底的表面性质进行选择，以能使所述乳液对基底表面的接触角为30°至120°，优选为40°至60°，更优选为40°至50°为准。所述接触角采用外形图像分析法测定，在温度为25℃、相对湿度为40％且压力为1标准大气压的条件下测定。
所述溶剂具体可以为水、醇、烷烃和芳烃中的一种或两种以上。所述醇是指在环境温度(一般为25℃)下为液体的醇，如链烷醇、环烷醇和芳基烷基醇。所述醇可以为一元醇、二元醇和三元醇中的一种或两种以上的组合。所述醇的具体实例可以包括但不限于甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、叔丁醇、正戊醇、异戊醇、新戊醇、环戊醇、环己醇、苯甲醇、乙二醇、1,3-丙二醇和丙三醇。所述烷烃是指在环境温度(一般为25℃)下为液体的烷烃，其具体实例可以包括但不限于戊烷、己烷、庚烷和辛烷。所述芳烃是指在环境温度(一般为25℃)下为液体的芳烃，其具体实例可以包括但不限于苯、甲苯、二甲苯、三甲苯和乙苯。在一个实例中，所述溶剂为水和/或醇。在另一个实例中，所述溶剂为烷烃和/或芳烃。在一个优选的实例中，所述溶剂选自水、乙醇和乙二醇。
可以通过将所述单分散颗粒、所述表面活性剂和所述溶剂混合并进行乳化，从而得到所述乳液。所述乳化的方法可以为常规方法，没有特别限定。具体地，可以通过对单分散颗粒、表面活性剂和溶剂的混合液施加剪切作用，从而实现乳化；还可以在乳化机中进行乳化。为了强化混合和乳化效果，可以通过超声的方法将所述单分散颗粒、所述表面活性剂和所述溶剂混合并进行乳化，从而得到所述乳液。
所述基底可以为光子晶体制备领域通常使用的基底，本发明对此没有特别限定，如无机基底和/或有机基底。所述基底的具体实例可以包括但不限于硅基底、玻璃基底、纸质基底、石英基底、金属基底和聚合物基底。所述聚合物基底可以为具有烯键式不饱和双键的单体通过链式聚合生成的聚合物形成的基底，也可以为具有可缩合聚合基团的单体通过缩合聚合生成的聚合物形成的基底，还可以为环状单体通过开环聚合生成的聚合物形成的基底。所述聚合物基底可以为塑料基底和/或橡胶基底，其具体实例可以包括但不限于聚硅氧烷基底、聚乙烯基底和聚丙烯基底。
根据本发明的方法，所述基底需要形成光子晶体的表面与所述乳液的接触角为30°至120°。优选地，所述基底需要形成光子晶体的表面与所述乳液的接触角为40°至60°。更优选地，所述基底需要形成光子晶体的表面与所述乳液的接触角为40°至50°
可以通过选择形成基底的材料的种类，或者对基底的需要形成光子晶体的表面进行处理，从而使得基底需要形成光子晶体的表面与所述乳液的接触角满足上述要求。
在一种实施方式中，根据乳液的组成，选择形成基底的材料的种类，从而使得基底需要形成光子晶体的表面与所述乳液的接触角满足上述要求。
在另一种实施方式中，基底表面与所述乳液的接触角为小于30°，对基底需要形成光子晶体的表面进行疏水化处理，所述疏水化处理的程度使得经疏水化处理的表面与乳液的接触角为满足前文所述的要求。所述疏水化处理的具体实例可以包括但不限于：在基底需要形成光子晶体的表面形成疏水材料层和/或在基底需要形成光子晶体的表面引入疏水性官能团。
在又一种实施方式中，基底表面与所述乳液的接触角为大于120°，可以对基底需要形成光子晶体的表面进行亲水化处理，所述亲水化处理的程度使得经亲水化处理的表面与乳液的接触角为满足前文所述的要求。所述亲水化处理的具体实例可以包括但不限于：在基底需要形成光子晶体的表面形成亲水材料层；在基底需要形成光子晶体的表面引入亲水性官能团；采用紫外线对基底需要形成光子晶体的表面进行照射；采用等离子体对基底需要形成光子晶体的表面进行照射；采用洗液对基底需要形成光子晶体的表面进行处理，所述洗液可以为溶剂，也可以为含有溶质的溶液，所述溶质可以为酸、过氧化氢和碱中的一种或两种以上。所述酸例如可以为H2SO4，所述碱例如可以为NaOH和/或KOH。
另外，在基底需要形成光子晶体的表面与所述乳液的接触角不满足前文所述的要求时，也可以通过调整乳液的组成，使得需要形成光子晶体的基底表面与乳液的接触角满足前文所述的要求。例如，对乳液中的溶剂的种类进行调整和/或对乳液中的表面活性剂的种类进行调整。
上述调整需要形成光子晶体的表面与所述乳液的接触角的方法可以单独使用，也可以组合使用，没有特别限定。
根据本发明的方法，可以采用多种方法将所述乳液施用于基底表面，以在基底需要形成光子晶体的表面形成液体图案。
在一个实例中，可以采用喷墨打印的方法将所述乳液喷射至基底表面，从而形成液体图案。具体地，可以将所述乳液填充在喷墨打印机的墨盒中，从而将乳液打印至基底表面。在该实例中，可以在喷墨打印机的不同墨盒中填充不同的乳液，以采用不同的乳液在基底表面形成液体图案，最终形成由不同材料形成的光子晶体，从而得到具有不同色彩的光子晶体。
在另一个实例中，采用转印的方法将所述乳液转移至基底表面，形成液体图案。这种方式特别适用于不规则表面(如曲面)形成光子晶体。
在又一个实例中，采用点胶的方法将所述乳液施用于所述基底的表面。
在再一个实例中，采用滴加的方法将所述乳液施用于所述基底的表面，从而形成液体图案。所述滴加可以为手工滴加，也可以为采用滴加设备的自动滴加。
另外，还可以通过对基底的需要形成液体图案的表面根据乳液的润湿性进行处理，使其与乳液的润湿性匹配，这样可以将经处理的基底浸入乳液中，使得乳液浸润进行处理的表面，而不浸润或基本不浸润未经处理的表面，进而在基底表面选择性形成液体图案。
在形成液体图案时，可以仅使用一种乳液，也可以将多种乳液组合使用，以在基底表面的不同区域用不同的乳液形成液体图案，使得在基底表面的不同区域形成的光子晶体的材料不同，进而获得具有不同色彩的光子晶体图案。
上述形成液体图案的方法可以单独使用，也可以组合使用，没有特别限定。另外，还可以根据形成的光子晶体的形态选择形成液体图案的方法。
根据本发明的方法，将具有液体图案的基底进行干燥，以脱除所述液体图案中的溶剂，得到光子晶体。根据本发明的方法，在进行干燥时，干燥的温度(记为T)以及脱除所述液体图案中的溶剂所需的干燥时间(记为tf)使得Pe满足以下关系式I和关系式II中的一者：
关系式I：2＜Pe＜10，
关系式II：0＜Pe＜0.4。
其中，
h为液体图案的厚度，以m计，
η为所述乳液中的溶剂在温度T下的动力粘度，以Pa·s计，
r为所述乳液中的单分散颗粒的水力半径，以m计，
tf为脱除所述液体图案中的溶剂所需的干燥时间，以s计，
kB为玻尔兹曼常数，以J/K计，
T为干燥的温度，以K计，
t为时间间隔，取值为1s。
其中，液体图案的厚度可以通过光学显微镜测定，也可以根据液滴体积以及乳液与基底需要形成光子晶体的表面的接触角计算得到。溶剂在干燥温度下的动力粘度可以由物化手册确定，也可以采用常规方法测定，例如采用粘度计法测定。单分散颗粒的水力半径可以由扩散系数确定，所述扩散系数可以采用扫描荧光相关光谱测定，对于球形颗粒，可以将该球形颗粒的半径近似作为水力半径。
从进一步提高制备的光子晶体的质量的角度出发，关系式I中，优选地，2.01≤Pe≤3，更优选地，2.01≤Pe≤2.5；关系式II中，优选地，0＜Pe≤0.2；更优选地，0.01≤Pe≤0.1，进一步优选地，0.04≤Pe≤0.06。
可以根据预期的光子晶体的图案形式确定Pe满足关系式I，还是满足关系式II。具体地，通过使得Pe满足关系式I可以制备二维膜状光子晶体，通过使得Pe满足关系式II，可以制备一维线状光子晶体(包括环状光子晶体)。
可以通过对以下参数中的一者或两者以上的组合进行调整，获得能使Pe满足关系式I或者关系式II的T和tf，
参数A：具有所述液体图案的基底在干燥时所处空间的湿度；
参数B：具有所述液体图案的基底在干燥时所处空间的真空度；
参数C：所述乳液中的溶剂的沸点；
参数D：所述乳液中的单分散颗粒的水力半径。
“干燥时所处空间”是指具有所述液体图案的基底在进行干燥时所处环境，该环境可以为开放环境，也可以为密闭环境，可以根据干燥的条件进行选择，没有特别限定。
在实际操作过程中，可以采用以下方法确定能使Pe满足关系式I或者关系式II的T和tf：根据形成所述液体图案的乳液中溶剂在1标准大气压下的沸点，选择足以使该溶剂气化的温度，可选地根据选定的温度对湿度和真空度进行调整，进而测定干燥的时间，将进行干燥的温度和测定的干燥时间带入关系式I或者关系式II中进行计算，判断该干燥温度和干燥时间是否能使Pe满足关系式I或者关系式II，如果不满足则根据上述方法再次进行实验，直至获得能使Pe满足关系式I或者关系式II的T和tf。可以将上述参数制成正交实验表，通过进行正交实验，从而获得能使Pe满足关系式I或者关系式II的T和tf。
根据本发明的方法，一般地，所述光子晶体为二维膜状光子晶体，所述干燥的温度与所述溶剂的沸点的差值可以在2-30℃的范围内，所述沸点为在1标准大气压下测定的沸点。优选地，所述干燥的温度与所述溶剂的沸点的差值在20-30℃的范围内。所述光子晶体为一维线状光子晶体，所述干燥的温度与所述溶剂的凝固点的差值在2-30℃的范围内，优选在10-20℃的范围内，所述凝固点为在1标准大气压下测定的凝固点。根据本发明的方法，进行干燥时，具有所述液体图案的基底所处环境的相对湿度一般可以为40％至80％，优选为50％至75％。根据本发明的方法，所述干燥可以在常压(即，1标准大气压)下进行，也可以在减压的条件下进行。一般地，所述干燥在常压下进行。
将具有液体图案的基底表面的液体图案中的液体脱除后即可得到光子晶体。根据需要还可以对光子晶体进行其它处理。
在一种实施方式中，在基底表面形成的液体图案为点阵，在将液体图案中的液体脱除后得到光子晶体点阵，在光子晶体点阵的间隙沉积氧化物颗粒和/或氧化物前驱体颗粒后，进行焙烧，从而得到反蛋白石结构光子晶体。
在该实施方式中，所述单分散颗粒优选选自聚合物颗粒。更优选地，所述单分散颗粒选自具有核壳结构的聚合物颗粒、聚苯乙烯颗粒、聚丙烯酸颗粒和聚甲基丙烯酸甲酯颗粒中的一种或两种以上。所述乳化剂优选选自阴离子型表面活性剂，更优选选自十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠和硬脂酸钠。
在该实施方式中，从进一步提高最终制备的光子晶体的质量的角度出发，T和tf使得Pe满足2＜Pe＜10，优选满足2.01≤Pe≤3，更优选满足2.1≤Pe≤2.3。
在该实施方式中，所述氧化物颗粒和所述氧化物前驱体颗粒的种类没有特别限定，可以为反蛋白石结构光子晶体制备技术领域常用的氧化物颗粒和氧化物前驱体颗粒。作为一个实例，所述氧化物颗粒为氧化硅颗粒和/或氧化钛颗粒。可以采用常规方法将所述氧化物颗粒和/或氧化物前驱体颗粒沉积在光子晶体点阵的间隙内。例如，可以通过气相沉积的方法将所述氧化物颗粒和/或氧化物颗粒沉积在光子晶体点阵的间隙内。
在该实施方式中，所述焙烧可以在反蛋白石结构光子晶体制备技术领域常规的焙烧条件下进行。具体地，所述焙烧可以在300-450℃的温度下进行，优选在350-450℃的温度下进行。所述焙烧的持续时间可以根据焙烧的温度进行选择，例如可以为2-8小时。
所述反蛋白石结构光子晶体在化学和生物分子检测、传感器、催化反应器以及组合化学领域具有广泛的用途。
采用本发明的方法制备的光子晶体，光子晶体图案膜的反射光谱中，半峰宽更窄，能达到30-60nm，甚至能达到30-40nm，且获得的光子晶体图案膜的表面更为平整，因而光子晶体图案的颜色更为鲜明；同时还能获得更薄的光子晶体图案膜，一方面能满足对光子晶体图案膜的厚度要求较小的使用场合的要求，另一方面还能降低由于膜厚度增加而引发的裂纹数量。
由此，本发明还提供了由本发明的方法制备的光子晶体。
以下结合实施例详细说明本发明，但并不因此限制本发明的范围。
以下实施例和对比例中，采用购自岛津的型号为IG-1000的粒度仪测定单分散颗粒的粒径以及粒径分布，其中，粒径为体积平均粒径。
以下实施例和对比例中，采用购自DataPhysics的型号为OCA20的接触角仪测定乳液对基底表面的接触角，测试在25℃的温度下进行，测试时的压力为1标准大气压，湿度为40％。
以下实施例和对比例中，在购自Dunedin的型号为Ocean Optics HR 4000的紫外-可见光谱仪仪器上测定制备的光子晶体的可见-紫外光谱图。
以下实施例和对比例中，压力均为表压。
实施例1-5用于说明本发明。
实施例1
将不同粒径(如表1所示)的单分散聚苯乙烯颗粒(参照CN100381872C实施例1的方法合成，其中，采用苯乙烯作为单体)分别与十二烷基硫酸钠和水(水在70℃时的动力粘度为0.8×10-3Pa·s，下同)采用超声的方法混合并乳化，从而得到乳液，每种乳液中，相对于100重量份水，单分散聚苯乙烯颗粒的含量均为2重量份，相对于100重量份单分散聚苯乙烯颗粒，十二烷基硫酸钠的含量均为2×10-5重量份。用移液枪将乳液滴加在玻璃片(乳液在玻璃片表面的接触角为45°)表面形成4×7乳液滴点阵(每个点的滴加体积为5μL，一种乳液形成点阵中的一列，每列采用的乳液中的单分散聚苯乙烯颗粒的粒径如表1所示，每列所采用的乳液的Pe在表1中列出，其中，以右端为列的起始位置，由右向左依次为第1列、第2列、第3列、第4列、第5列、第6列和第7列)。然后，将具有液体点阵图案的玻璃片置于温度为70℃且相对湿度为50％的烘箱中于常压(1标准大气压，下同)下干燥3分钟，从而得到光子晶体的点阵图案(如图1a所示，点阵中的每一列的颜色在表1中列出)。采用扫描电镜观察得到的光子晶体图案(如图1b所示，为第4列)，表明在玻璃片表面形成了规则且表面平整的膜状光子晶体图案。由紫外-可见光谱图(如图1c所示，其中，每条曲线上的编号为点阵中的列编号)确定的半峰宽(FWHM)如图1d所示。图1d证实光子晶体图案膜的反射光谱中，半峰宽在30-60nm的范围内。
表1
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于，将具有液体点阵图案的玻璃片置于温度为70℃且相对湿度为50％的烘箱中于常压下干燥20分钟，其中，Pe为0.7。采用光学显微镜观察得到的图案，结果没有形成膜状光子晶体图案。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于，在配制乳液时不使用十二烷基硫酸钠，其中，形成的乳液与玻璃片表面的接触角为45°。采用光学显微镜观察得到的图案，结果没有形成光子晶体图案。
实施例2
将粒径约为220nm的单分散聚苯乙烯颗粒(参照CN100381872C实施例1的方法合成，其中，采用苯乙烯作为单体)、十二烷基硫酸钠与水采用超声的方法混合并乳化，从而得到乳液，其中，相对于100重量份水，单分散聚苯乙烯颗粒的含量为2重量份，相对于100重量份单分散聚苯乙烯颗粒，十二烷基硫酸钠的含量为1×10-5重量份。
采用以下方法对硅片的部分表面进行亲疏水图案化处理：
将1H,1H,2H,2H-全氟癸基三甲氧基硅烷真空气相沉积在硅片表面形成单分子疏水层，再利用200W紫外光掩膜版进行照射8h，形成亲水图案。经亲疏水图案化处理的硅片表面中，疏水区与乳液的接触角为108°，亲水区滴加乳液后，乳液与亲水区的基底的接触角为42°。
将经亲疏水图案化处理的硅片在乳液中于25℃的温度下浸渍1分钟，然后缓慢取出，得到在亲水区附着有乳液的硅片，将硅片置于温度为75℃且相对湿度为50％的烘箱中于常压下干燥5分钟，从而得到光子晶体的点阵图案。其中，Pe为2.2。采用光学显微镜观察得到的光子晶体图案，发现在硅片表面形成了规则且表面平整的光子晶体图案(由可见-紫外光谱图确定的半峰宽为35nm)。
实施例3
(1)将粒径约为200nm的单分散聚苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸颗粒(参照CN101758014A实施例2的方法合成，不同的是，甲基苯乙烯用等重量的苯乙烯代替)、十二烷基硫酸钠与水采用超声的方法混合并乳化，从而得到乳液，其中，相对于100重量份水，单分散聚苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸颗粒的含量为2重量份，相对于100重量份单分散聚苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸颗粒，十二烷基硫酸钠的含量为1×10-5重量份。用移液枪将乳液滴加在硅片(乳液在硅片表面的接触角为45°)上形成乳液滴点阵(7×4的点阵，每个点的滴加体积为5μL)。然后，将具有液体点阵图案的硅片置于温度为75℃且相对湿度为50％的烘箱中于常压下干燥5分钟，从而得到光子晶体的点阵图案。其中，Pe为2.2。采用光学显微镜观察得到的光子晶体图案，在硅片表面形成了规则的光子晶体图案(由可见-紫外光谱图确定的半峰宽为40nm)。
(2)采用以下方法在将步骤(1)制备的具有光子晶体的间隙填充氧化钛，以制备反蛋白石结构的光子晶体：
将含有10％钛酸四丁酯的水溶液滴加到实施例3步骤(1)制备的光子晶体图案中，在80℃烘干，接着在450℃煅烧2h，形成氧化钛的反蛋白石结构。图2为制备的具有反蛋白石结构的光子晶体的扫描电镜照片。
实施例4
将粒径约为190nm的单分散聚苯乙烯颗粒(参照CN100381872C实施例1的方法合成，不同的是，采用苯乙烯作为单体)、十二烷基硫酸钠与水采用超声的方法混合并乳化，从而得到乳液，其中，相对于100重量份水，单分散聚苯乙烯颗粒的含量为1重量份，相对于100重量份单分散聚苯乙烯颗粒，十二烷基硫酸钠的含量为1×10-5重量份。将乳液装入喷墨打印机的墨盒中，利用喷墨打印机将乳液打印在玻璃片表面(乳液在玻璃片表面的接触角为40°)。然后，具有液体点阵图案的玻璃片置于温度为70℃且相对湿度为50％的烘箱中于常压下干燥5分钟，从而得到光子晶体的点阵图案。其中，Pe为2.2。采用光学显微镜观察得到的光子晶体图案，在玻璃片表面形成了规则且表面平整的光子晶体图案(由可见-紫外光谱图确定的半峰宽为50nm)。
对比例3
本对比例与实施例4的区别在于，具有液体点阵图案的玻璃片置于温度为25℃且湿度为40％的烘箱中于常压下干燥20分钟，从而得到光子晶体的点阵图案。其中，Pe为0.4，由可见-紫外光谱图确定的半峰宽为100nm。
实施例5
将粒径约为205nm的单分散聚苯乙烯颗粒(参照CN100381872C实施例1的方法合成，不同的是，采用苯乙烯作为单体)、十二烷基苯磺酸钠与水采用超声的方法混合并乳化，从而得到乳液，其中，相对于100重量份水，单分散聚苯乙烯颗粒的含量为2重量份，相对于100重量份单分散聚苯乙烯颗粒，十二烷基苯磺酸钠的含量为2×10-5重量份。用移液枪将乳液滴加在玻璃片(乳液在玻璃片表面的接触角为42°)表面形成4×7乳液滴点阵(每个点的滴加体积为5μL)。然后，具有液体点阵图案的玻璃片于温度为20℃且相对湿度为75％的干燥箱中在常压下放置8小时，采用光学显微镜观察得到的光子晶体图案，确定得到环状光子图案(由可见-紫外光谱图确定的半峰宽为30nm)。其中，Pe为0.05。
实施例1-5的结果证实，采用本发明的方法能在多种类型的基底表面制备高质量的光子晶体，并且通过对制备工艺条件进行调整，能制备不同形态的光子晶体。采用本发明的方法制备的光子晶体膜的反射光谱中，半峰宽更窄，制备的光子晶体图案膜薄且表面平整，形成的光子晶体图案的颜色更为鲜明。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (41)

1.一种光子晶体的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)提供一种乳液，所述乳液含有至少一种单分散颗粒、至少一种表面活性剂和至少一种溶剂；
(2)将所述乳液施用于基底需要形成光子晶体的表面，以在该表面形成液体图案，所述乳液对基底需要形成光子晶体的表面的接触角为30°至120°；以及
(3)将具有所述液体图案的基底进行干燥，以脱除所述液体图案中的溶剂，得到光子晶体，其中，所述干燥的温度为T，脱除所述液体图案中的溶剂所需的干燥时间为tf，T和tf使得Pe满足以下关系式I和关系式II中的一者：
关系式I：2＜Pe＜10，
关系式II：0＜Pe＜0.4，
其中，Pe＝(3h2ηr/tf 2kBTt)1/2
h为液体图案的厚度，以m计，
η为所述乳液中的溶剂在温度T下的动力粘度，以Pa·s计，
r为所述乳液中的单分散颗粒的水力半径，以m计，
tf为脱除所述液体图案中的溶剂所需的干燥时间，以s计，
kB为玻尔兹曼常数，以J/K计，
T为干燥的温度，以K计，
t为时间间隔，取值为1s。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述乳液对基底需要形成光子晶体的表面的接触角为40°至60°。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，关系式I中，2.01≤Pe≤3；
关系式II中，0＜Pe≤0.2。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，关系式I中，2.01≤Pe≤2.5。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，关系式II中，0.01≤Pe≤0.1。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，关系式II中，0.04≤Pe≤0.06。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，制备的光子晶体为二维膜状，T和tf使得Pe满足关系式I；
制备的光子晶体为一维线状，T和tf使得Pe满足关系式II。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的方法，其中，通过对以下参数中的一者或两者以上的组合进行调整，获得能使Pe满足关系式I或者关系式II的T和tf，
参数A：具有所述液体图案的基底在干燥时所处环境的湿度；
参数B：具有所述液体图案的基底在干燥时所处环境的真空度；
参数C：所述乳液中的溶剂的沸点；
参数D：所述乳液中的单分散颗粒的水力半径。
9.根据权利要求1-7中任意一项所述的方法，其中，所述光子晶体为二维膜状光子晶体，所述干燥的温度与所述溶剂的沸点的差值在2-30℃的范围内，所述沸点为在1标准大气压下测定的沸点；或者
所述光子晶体为一维线状光子晶体，所述干燥的温度与所述溶剂的凝固点的差值在2-30℃的范围内，所述凝固点为在1标准大气压下测定的凝固点。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述光子晶体为二维膜状光子晶体，所述干燥的温度与所述溶剂的沸点的差值在20-30℃的范围内，所述沸点为在1标准大气压下测定的沸点。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述光子晶体为一维线状光子晶体，所述干燥的温度与所述溶剂的凝固点的差值在10-20℃的范围内，所述凝固点为在1标准大气压下测定的凝固点。
12.根据权利要求1-7中任意一项所述的方法，其中，相对于100重量份溶剂，所述单分散颗粒的含量为0.1-45重量份；相对于100重量份单分散颗粒，所述表面活性剂的含量为1×10-6至1×10-4重量份。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，相对于100重量份溶剂，所述单分散颗粒的含量为0.1-20重量份。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，相对于100重量份溶剂，所述单分散颗粒的含量为0.1-10重量份。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，相对于100重量份溶剂，所述单分散颗粒的含量为0.5-5重量份。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，相对于100重量份溶剂，所述单分散颗粒的含量为1-3重量份。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，相对于100重量份单分散颗粒，所述表面活性剂的含量为1×10-5至1×10-4重量份。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，相对于100重量份单分散颗粒，所述表面活性剂的含量为1×10-5至5×10-5重量份。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，相对于100重量份单分散颗粒，所述表面活性剂的含量为1×10-5至2×10-5重量份。
20.根据权利要求1-7中任意一项所述的方法，其中，所述单分散颗粒的平均粒径为5nm至1μm。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述单分散颗粒的平均粒径为50nm至500nm。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述单分散颗粒的平均粒径为100nm至400nm。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述单分散颗粒的平均粒径为190nm至280nm。
24.根据权利要求1-7中任意一项所述的方法，其中，所述单分散颗粒选自有机颗粒、无机颗粒和有机-无机复合颗粒；
所述溶剂选自水、醇、烷烃和芳烃；
所述表面活性剂选自阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、两性离子表面活性剂和非离子表面活性剂。
25.根据权利要求1-7中任意一项所述的方法，其中，所述单分散颗粒选自量子点。
26.根据权利要求24所述的方法，其中，所述单分散颗粒选自氧化硅颗粒、聚苯乙烯颗粒、聚丙烯酸颗粒、金颗粒、银颗粒、铂颗粒、铜颗粒、氧化锌颗粒、氧化铁颗粒、四氧化三铁颗粒、氧化钛颗粒、碳颗粒、硅颗粒和量子点。
27.根据权利要求24所述的方法，其中，所述单分散颗粒选自具有核壳结构的聚合物颗粒。
28.根据权利要求24所述的方法，其中，所述溶剂选自水和C1-C5的链烷醇。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述溶剂选自水、乙醇和乙二醇。
30.根据权利要求24所述的方法，其中，所述表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、硬脂酸钠、季铵盐型阳离子表面活性剂、氨基酸型两性离子表面活性剂、甜菜碱型两性离子表面活性剂、卵磷脂型两性离子表面活性剂、聚氧乙烯型非离子表面活性剂和多元醇型非离子表面活性剂。
31.根据权利要求1-7中任意一项所述的方法，其中，所述基底选自硅基底、玻璃基底、纸质基底、石英基底、金属基底和聚合物基底。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述基底选自硅基底、玻璃基底、纸质基底、石英基底、铁基底、铜基底、铝基底、塑料基底和橡胶基底。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述基底选自硅基底、玻璃基底、纸质基底、石英基底、铁基底、铜基底、铝基底、聚硅氧烷基底、聚乙烯基底和聚丙烯基底。
34.根据权利要求1-7中任意一项所述的方法，其中，采用以下方式中的一种或两种以上的组合在基底表面形成液体图案：喷墨打印、转印、点胶和滴加。
35.一种反蛋白石结构光子晶体图案的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)采用权利要求1-34中任意一项所述的方法制备光子晶体图案，其中，所述乳液中的单分散颗粒选自有机颗粒，在基底表面形成的液体图案为点阵；
(2)在光子晶体点阵的间隙沉积氧化物颗粒和/或氧化物前驱体颗粒后，进行焙烧。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述单分散颗粒选自聚合物颗粒；
所述表面活性剂选自阴离子型表面活性剂。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述单分散颗粒选自聚苯乙烯颗粒、聚丙烯酸颗粒和聚甲基丙烯酸甲酯颗粒中的一种或两种以上。
38.根据权利要求36所述的方法，其中，所述单分散颗粒选自具有核壳结构的聚合物颗粒。
39.根据权利要求37或38所述的方法，其中，所述单分散颗粒选自具有核壳结构的聚苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸颗粒、聚苯乙烯颗粒和聚丙烯酸颗粒。
40.根据权利要求36所述的方法，其中，所述表面活性剂选自十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠和硬脂酸钠。
41.由权利要求1-40中任意一项所述的方法制备的光子晶体。
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CN106908898A (zh) 2017-06-30

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