CN107085249A - 一种二维隐形光子晶体的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维隐形光子晶体的制备方法，该方法包含：步骤1：将单分散的胶体微球分散在溶剂中，配制成悬浮液，该悬浮液中胶体微球的质量分数为5%~20%；步骤2，将步骤1所得悬浮液滴在装有介质的容器中，快速形成一层二维光子晶体模板；步骤3，将有机单体和交联剂混合并溶解在溶剂中，添加引发剂，形成凝胶前驱体溶液；步骤4，将步骤3的凝胶前驱体溶液注入步骤2中的二维光子晶体模板中，并覆盖上有图案的掩膜；步骤5，用波长为365nm的光对步骤4的材料进行照射，待照射完毕除去掩膜，得到二维隐形光子晶体。本发明的方法简单，操作容易，能够获得具有隐形图案的光子晶体，并通过晶格参数的改变，以显现隐形图案，可用于传感检测和隐形标记。

Description

一种二维隐形光子晶体的制备方法

技术领域

本发明涉及一种光子晶体的制备方法，具体涉及一种二维隐形光子晶体的制备方法。

背景技术

光子晶体的概念最早是在1987年由Yablonovitch和John分别独立提出，它是指由两种以上具有不同介电常数（折射率）的材料在空间按照一定的周期性顺序排列所形成的有序结构材料。

光子晶体的主要光学特征是具有光子带隙，即“光子禁带”。在光子晶体结构中，处于禁带波段的光波在各个方向上均受到布拉格衍射，无法向任一方向传播，但当某个位置电解质排列的周期性被打破，光波就可以从该位置射出。根据光子晶体的这一特性，可以选择性地调控不同波长的电磁波的传播，目前，光子晶体在波导、传感器检测、光纤等环境检测、光电子学领域具有广泛的应用。

目前，人们可以在一维、二维和三维层面构建光子晶体。其中，基于水凝胶的光子晶体，当水凝胶的体积由于外界环境的刺激产生胀缩，光子晶体的晶格参数就会发生相应改变，从而移动布拉格衍射波长，宏观表现为光子晶体颜色的改变。当水凝胶官能化以后，其可以用来检测葡萄糖浓度、pH值、某些溶剂和重金属阳离子浓度等的变化，仅凭裸眼就可以判断被检测物质的变化，无需信号转换，而且响应速度快具有灵敏度高，响应性快的特点。

但是，现有技术制作光子晶体模板往往耗时较长，并且制备难度大，难以大面积制备，不利于实际生产。此外，普通光子晶体颜色的变化范围有限，往往难以直观反映被检测信号的变化。

发明内容

本发明的目的是提供一种二维隐形光子晶体的制备方法，该方法解决了现有技术制备光子晶体的难度大、耗时长等问题，其制备方法简单，操作容易，能够获得具有隐形图案的光子晶体。

为了达到上述目的，本发明提供了一种二维隐形光子晶体的制备方法，该方法包含：

步骤1：将单分散的胶体微球分散在溶剂中，配制成悬浮液，该悬浮液中胶体微球的质量分数为5%~20%；

步骤2，将步骤1所得悬浮液滴在装有介质的容器中，快速形成一层二维光子晶体模板；

步骤3，将有机单体和交联剂混合并溶解在溶剂中，添加引发剂，形成凝胶前驱体溶液；

步骤4，将步骤3所述的凝胶前驱体溶液注入步骤2中所述的二维光子晶体模板中，并覆盖上有图案的掩膜；

步骤5，用波长为365nm的光对步骤4所得的材料进行照射，待照射完毕除去掩膜，得到二维隐形光子晶体。

其中，在步骤3中，所述的有机单体和交联剂的摩尔比为40~60:1。

其中，在步骤3中，所述的引发剂的质量百分比为：有机单体、交联剂和引发剂三者混合物总质量的0.5~1%。

在步骤1中，所述的胶体微球包含：聚苯乙烯胶体微球、聚甲基丙烯酸甲酯胶体微球和二氧化硅胶体微球中的任意一种。

在步骤1中，所述的胶体微球的粒径为80~500 nm。

在步骤1中，所述的溶剂为水与醇的混合物，所述的水为纯水。

所述的醇包含：乙醇、正丙醇和乙二醇中的任意一种或两种以上。

在步骤2中，所述的介质为水或汞，所述的水为纯水。

在步骤3中，所述的有机单体包含：丙烯酸及其衍生物中的任意一种或两种以上；所述的衍生物包含：丙烯酰胺、甲基丙烯酸酯。

在步骤3中，所述的交联剂包含：N, N-亚甲基双丙烯酰胺和乙二醇二甲基丙烯酸酯中的任意一种。

在步骤3中，所述的引发剂为光引发剂，其包含：烷基苯酮和/或苯偶酰类光引发剂；所述的烷基苯酮类光引发剂包含：2, 2-二乙氧基苯乙酮；所述的苯偶酰类光引发剂包含：二苯基乙酮。

在步骤4中，所述的掩膜上的图案通过掩膜镂空或刻蚀形成。

本发明提供的二维隐形光子晶体的制备方法，解决了现有技术制备光子晶体的难度大、耗时长等问题，具有以下优点：

（1）本发明的制备方法简单，操作容易，制备时间短，二维光子晶体模板制备完成仅需1min，整个制备过程完成需要仅1h左右，而现有技术制备光子晶体纯化、组装的过程相对较久，需要数日才能完成；

（2）本发明的图案化效果的形成是由于掩膜的存在使聚合物交联密度产生了差异，通过掩膜的无图案部分具有较高的紫外透过率，在紫外光的照射下，无图案覆盖的表面有更高的聚合度，从而得到隐形图案；

（3）本发明的制备方法通过光子晶体对湿度和pH值的敏感，使光子晶体的体积发生改变，导致晶格参数发生相应改变，以使光子晶体发出不同的颜色，通过调节晶格参数，可使颜色可逆。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

一种二维隐形光子晶体的制备方法，该方法包含：

步骤1：将单分散的胶体微球分散在溶剂中，配制成悬浮液，该悬浮液中胶体微球的质量分数为5%~20%；

步骤2，将步骤1所得悬浮液滴在装有介质的容器中，快速形成一层二维光子晶体模板，该模板的厚度为胶体微球的直径；该模板形成迅速，仅需要1min即可完成；

步骤3，将有机单体和交联剂混合并溶解在溶剂中，添加引发剂，形成凝胶前驱体溶液；

步骤4，将步骤3的凝胶前驱体溶液注入步骤2中的二维光子晶体模板中，并立即覆盖上有图案的掩膜；

步骤5，用波长为365nm的光对步骤4所得的材料进行照射，有掩膜的一面与无掩膜的一面具有不同的交联密度，无掩膜一面聚合程度相同，待照射完毕除去掩膜，得到二维隐形光子晶体，该晶体通过二维组装，无需外加磁场，制备简便且快速；照射的时间为15 min~60min，该照射根据光照强度等因素调节，当光照强度较弱时可延长照射时间，通过紫外照射和引发剂，引发有机单体和交联剂的化学聚合反应。

在步骤3中，有机单体和交联剂的摩尔比为40~60:1；

在步骤3中，引发剂的质量百分比为：有机单体、交联剂和引发剂三者混合物总质量的0.5~1%。

在步骤1中，胶体微球包含：聚苯乙烯胶体微球、聚甲基丙烯酸甲酯胶体微球和二氧化硅胶体微球中的任意一种。

在步骤1中，胶体微球的粒径为80~500 nm。

在步骤1中，溶剂为水与醇的混合物。

上述醇包含：乙醇、正丙醇和乙二醇中的任意一种或两种以上。

在步骤2中，介质为水或汞，利用水或水银的表面张力，使悬浮液中的微球排列在空气-介质交界面上，形成单层的光子晶体，即二维光子晶体。

在步骤3中，有机单体包含：丙烯酸及其衍生物中的任意一种或两种以上；其中，衍生物包含：丙烯酰胺、甲基丙烯酸酯。

在步骤3中，交联剂包含：N, N-亚甲基双丙烯酰胺和乙二醇二甲基丙烯酸酯中的任意一种。

在步骤3中，引发剂为光引发剂，其包含：烷基苯酮和/或苯偶酰类光引发剂。其中，烷基苯酮类光引发剂包含：2, 2-二乙氧基苯乙酮；苯偶酰类光引发剂包含：二苯基乙酮。

在步骤4中，掩膜上的图案通过掩膜镂空或刻蚀形成。

上述步骤中所选用的水为纯水，即去离子水，这由于光子晶体中晶体阵列对杂质非常敏感，微量的离子杂质便会破坏微球间的静电平衡以及晶格的排列顺序，因此必需保证整个制备过程中纯净无杂质。

实施例1

一种二维隐形光子晶体的制备方法，该方法具体如下：

步骤1：将粒径为400 nm的单分散的聚苯乙烯微球分散在正丙醇与水的混合溶剂中，配制成质量分数为10%的悬浮液；

步骤2，将步骤1所得的悬浮液滴在装有汞的容器中，通过溶剂蒸发在空气-液体界面上快速形成一层二维光子晶体模板；

步骤3，将丙烯酰胺和N, N-亚甲基双丙烯酰胺以50:1的摩尔比混合，并溶解在纯水中，添加微量2, 2-二乙氧基苯乙酮作为引发剂，形成凝胶前驱体溶液；其中，引发剂的质量百分比占单体、交联剂和引发剂三者混合物总量的0.5%；

步骤4，将步骤3所得溶液注入步骤2的光子晶体模版中，并覆盖上有图案的掩膜；其中，掩膜是刻有“SSPU”字样的普通打印纸；

步骤5，用两台汞灯（高压汞灯，发射波长365 nm的光）分别从上下两侧照射步骤4所得的材料30分钟，保证整个材料均被照射，除去掩膜即可得到二维隐形光子晶体。由于掩膜的存在，使制备过程中聚合物的交联密度不同，造成溶胀性能差异，交联密度高的最大溶胀率较低，交联密度低的则最大溶胀率较高，凝胶溶胀率不同使光子晶体晶格参数改变程度不同，故产生颜色差异，显现隐形图像。

实施例1制备的二维隐形光子晶体，采用的丙烯酰胺对湿度敏感，当水含量改变时，光子晶体由于外界环境的刺激产生胀缩，光子晶体的晶格参数就会发生相应改变，从而移动布拉格衍射波长，宏观表现为光子晶体颜色的改变。干燥状态呈透明薄膜状，遇水后当湿度在10%以上，开始变色，光子带隙的变化约为150 nm。其颜色从无色变成蓝紫色最终变成绿色，同时隐形印刷的SSPU字样（隐形图像）呈红色，由于溶胀率不同，晶格参数改变不同，呈现出不同的颜色，干燥后二维隐形光子晶体可恢复无色透明。

实施例2

一种二维隐形光子晶体的制备方法，其方法具体如下：

步骤1：将粒径为500 nm的单分散的聚苯乙烯微球分散在正丙醇与水的混合溶剂中，配制成质量分数为10%的悬浮液；

步骤2，将步骤1所得的悬浮液滴在装有汞的容器中，通过溶剂蒸发在空气-液体界面上快速形成一层二维光子晶体模板；

步骤3，将异丙基丙烯酰胺、丙烯酸和N, N-亚甲基双丙烯酰胺以25：25：1的摩尔比混合，并溶解在纯水中，添加微量2, 2-二乙氧基苯乙酮作为引发剂，形成凝胶前驱体溶液；其中，引发剂的质量百分比占单体、交联剂和引发剂三者混合物总量的0.5%；

步骤4，将步骤3所得溶液注入步骤2的光子晶体模版中，并覆盖上有图案的掩膜；其中，掩膜是刻有“SSPU”字样的普通打印纸；

步骤5，用两台汞灯（高压汞灯，发射波长365 nm的光）分别从上下两侧照射步骤4所得的材料30分钟，保证整个材料均被照射，除去掩膜即可得到二维隐形光子晶体。

实施例2制备的二维隐形光子晶体，采用的异丙基丙烯酰胺对pH敏感，在不同pH值下，其胀缩率不同，导致光子晶体的晶格参数就会在不同pH值下发生不同的改变，从而改变布拉格衍射波长，宏观表现为光子晶体颜色在不同pH值下不同。在干燥状态呈透明薄膜状，在pH值2-9内不同的pH值下，溶液呈现不同颜色，光子带隙的变化约为150 nm，干燥后二维隐形光子晶体可恢复无色透明。

实施例3

同时实例1的制备步骤，仅将步骤3中使用的引发剂“2, 2-二乙氧基苯乙酮”用“二苯基乙酮”代替，得到的二维隐形光子晶体和实施例1的光子晶体具有相同的效果。

本发明的二维隐形光子晶体的制备方法，并不限于采用化学聚合的方式，可以选择不同的单体和聚合方式，如还可采用热聚合方式。本发明制备的二维光子晶体模板，采用物理交联化的凝胶，同样可制得二维隐形光子晶体。本发明制备的凝胶光子晶体模板，还适用于其他形式的物理、化学修饰，可使所制备的光子晶体材料对不同环境变化产生响应，如pH、温度、金属离子、溶剂等。

综上所述，本发明的二维隐形光子晶体的制备方法，该制备方法简单，操作容易，能够获得具有隐形图案的光子晶体，并通过光子晶体晶格参数的改变，使得隐形图案显现，能够用于传感检测、隐形标记等领域。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种二维隐形光子晶体的制备方法，其特征在于，该方法包含：

步骤1：将单分散的胶体微球分散在溶剂中，配制成悬浮液，该悬浮液中胶体微球的质量分数为5%~20%；

步骤2，将步骤1所得悬浮液滴在装有介质的容器中，快速形成一层二维光子晶体模板；

步骤3，将有机单体和交联剂混合并溶解在溶剂中，添加引发剂，形成凝胶前驱体溶液；

步骤4，将步骤3所述的凝胶前驱体溶液注入步骤2中所述的二维光子晶体模板中，并覆盖上有图案的掩膜；

步骤5，用波长为365nm的光对步骤4所得的材料进行照射，待照射完毕除去掩膜，得到二维隐形光子晶体；

在步骤3中，所述的有机单体和交联剂的摩尔比为40~60:1；

在步骤3中，所述的引发剂的质量百分比为：有机单体、交联剂和引发剂三者混合物总质量的0.5~1%。

2.根据权利要求1所述的二维隐形光子晶体的制备方法，其特征在于，在步骤1中，所述的胶体微球包含：聚苯乙烯胶体微球、聚甲基丙烯酸甲酯胶体微球和二氧化硅胶体微球中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的二维隐形光子晶体的制备方法，其特征在于，在步骤1中，所述的胶体微球的粒径为80~500 nm。

4.根据权利要求1所述的二维隐形光子晶体的制备方法，其特征在于，在步骤1中，所述的溶剂为水与醇的混合物，所述的水为纯水。

5.根据权利要求4所述的二维隐形光子晶体的制备方法，其特征在于，所述的醇包含：乙醇、正丙醇和乙二醇中的任意一种或两种以上。

6.根据权利要求1所述的二维隐形光子晶体的制备方法，其特征在于，在步骤2中，所述的介质为水或汞，所述的水为纯水。

7.根据权利要求1所述的二维隐形光子晶体的制备方法，其特征在于，在步骤3中，所述的有机单体包含：丙烯酸及其衍生物中的任意一种或两种以上；所述的衍生物包含：丙烯酰胺、甲基丙烯酸酯。

8.根据权利要求1所述的二维隐形光子晶体的制备方法，其特征在于，在步骤3中，所述的交联剂包含：N, N-亚甲基双丙烯酰胺和/或乙二醇二甲基丙烯酸酯。

9.根据权利要求1所述的二维隐形光子晶体的制备方法，其特征在于，在步骤3中，所述的引发剂为光引发剂，其包含：烷基苯酮和/或苯偶酰类光引发剂；

所述的烷基苯酮类光引发剂包含：2, 2-二乙氧基苯乙酮；

所述的苯偶酰类光引发剂包含：二苯基乙酮。

10.根据权利要求1所述的二维隐形光子晶体的制备方法，其特征在于，在步骤4中，所述的掩膜上的图案通过掩膜镂空或刻蚀形成。