CN107305776B - 一种以光子晶体作为载体的信息记录方法和信息传递方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种信息记录方法和信息传递方法，该方法包括将编码规则中的代码与光子晶体的禁带位置建立一一对应关系，将待记录的信息按照所述编码规则代码化，按照所述对应关系，形成相应于所述代码化信息的光子晶体图案。本发明利用光子晶体特殊的禁带反射性质，采用具有不同禁带位置的光子晶体作为记录信息的载体，拓展了信息的存储方式；并且，由于光子晶体具有一些特殊的光学性质，例如角度依赖性等，因此采用光子晶体作为信息记录的载体时，还能利用这些特殊的光学性质对信息进行加密。根据本发明的方法，对于信息存储和加密都具有重要的应用价值。

Description

一种以光子晶体作为载体的信息记录方法和信息传递方法
技术领域
本发明涉及一种以光子晶体作为载体的信息记录方法，本发明还涉及一种以光子晶体作为载体的信息传递方法。
背景技术
编码技术是一种信息存储和加密，并防止信息泄露和伪造的有效方法。基于化学图案、几何图案、特异性的微载体以及特征光谱等提供特有的化学或光电信号提供了丰富的可供编码的对象，在信息存储、生物检测以及防伪等领域均具有一定的应用前景。然而，对编码对象进行选择时，往往需要对于其编码容量、安全性、可读性、以及加工制备的便利性和稳定性进行综合考虑，从而判定其真实的应用潜力。
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，其对光子的调控性质有着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、电容器、化学和生物传感等领域有着重要的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种信息记录方法，该方法以光子晶体图案作为信息记录载体。
根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种信息记录方法，该方法包括以下步骤：
(1)提供一种编码规则；
(2)将所述编码规则中的代码与光子晶体的禁带位置建立一一对应关系；
(3)将待记录的信息按照所述编码规则代码化，以将待记录的信息转化成为代码化信息；
(4)按照步骤(2)所述对应关系，形成相应于所述代码化信息的光子晶体图案。
根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种信息传递方法，该方法包括采用本发明第一个方面所述的方法记录信息，按照步骤(2)所述对应关系，从所述光子晶体图案中读取信息。
本发明利用光子晶体特殊的禁带反射性质，采用具有不同禁带位置的光子晶体作为记录信息的载体，拓展了信息的存储方式；并且，由于光子晶体具有一些特殊的光学性质，例如角度依赖性等，因此采用光子晶体作为信息记录的载体时，还能利用这些特殊的光学性质对信息进行加密。根据本发明的方法，对于信息存储和加密都具有重要的应用价值。
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用于说明本发明实施例1设计的代码化信息图案及其读取方式。
图2用于说明本发明实施例1制备的光子晶体图案。
图3用于说明本发明实施例1制备的光子晶体地图，图中的纵坐标为反射光的相对强度。
图4用于说明本发明实施例1制备的光子晶体图案所携带的信息。
图5用于说明本发明实施例2制备的光子晶体图案及其携带的信息。
图6用于说明本发明实施例3制备的光子晶体图案。
图7用于说明本发明实施例4制备的光子晶体图案。
图8用于说明本发明实施例4制备的光子晶体地图，图中的纵坐标为反射光的相对强度。
图9用于说明将本发明实施例4制备的光子晶体图案所携带的信息。
图10用于说明本发明实施例5制备的光子晶体图案在不同的照射角度下显示出的图案。
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。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种以光子晶体作为载体的信息记录方法，该方法包括步骤(1)：提供一种编码规则。
本发明中，“编码”是指采用代码来表示信息，“编码规则”是指采用代码来表示信息时所应遵循的规则，可以包括但不限于建立代码与所要记录的信息中的字符、符号、以及字符和符号的组合之间的一一对应关系。
本发明对于所述编码规则没有特别限定，可以采用已知的各种编码规则，也可以根据需要设计编码规则。在一种实施方式中，可以采用不同进制的数字语言进行编码，如二进制、八进制和十六进制中的一种或两种以上的组合。在另一种实施方式中，可以采用图像编码规则，如条形码编码规则、二维图像编码规则。在又一种实施方式中，采用字符和图像进行编码。
根据本发明的方法，从进一步提高信息的隐秘性和安全性的角度出发，优选在编码时进行加密，即，所述编码规则优选为加密编码规则。本发明对于加密的具体方法没有特别限定，可以采用已知的加密方法，也可以根据需要设计加密方法。在一种实施方式中，在编码时采用摩斯密码进行加密。在另一种实施方式中，在编码时，采用加密算法进行加密。
根据本发明的方法，从便于读取信息的角度出发，在所述编码规则中设置至少一个功能代码，所述功能代码的功能可以包括但不限于：用于提示信息的起始位置和终止位置，用于提示读取信息的方式。
根据本发明的方法，包括步骤(2)：将所述编码规则中的代码与光子晶体的禁带位置建立一一对应关系。即，用具有某一特定禁带位置的光子晶体来唯一对应步骤(1)所述编码规则中的一个代码，将代码与光子晶体建立唯一对应的关系。在所述编码规则包括功能代码时，也需要将功能代码与光子晶体的禁带位置建立一一对应关系。
本发明中，禁带位置采用光谱法测定，如采用紫外-可见光谱法测定禁带位置。
根据本发明的方法，从进一步提高信息读取的准确性的角度出发，相邻两个禁带位置之间的差值优选为10nm以上，更优选为15nm以上。进一步优选地，相邻两个禁带位置之间的差值为10-100nm，这样能在信息读取准确性和编码容量之间获得更好的平衡。更进一步优选地，相邻两个禁带位置之间的差值为15-55nm。
根据本发明的方法，包括步骤(3)：将待记录的信息按照所述编码规则代码化，以将待记录的信息转化成为代码化信息。
根据本发明的方法，对于步骤(2)和步骤(3)之间的先后顺序没有特别限定，可以先进行步骤(2)，再进行步骤(3)；也可以先进行步骤(3)，再进行步骤(2)。
根据本发明的方法，包括步骤(4)：按照步骤(2)所述对应关系，形成相应于所述代码化信息的光子晶体图案。
可以采用已知的方法来形成所述光子晶体图案，例如可以参照CN101758014A中公开的方法制备光子晶体图案。
在本发明的一种优选的实施方式中，步骤(4)中，形成所述光子晶体图案的方法包括：
(4-1)提供一系列乳液，一种乳液用于形成具有一种禁带位置的光子晶体，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；
(4-2)将乳液按照步骤(2)所述对应关系施用于基底需要形成光子晶体的表面，以形成相应于所述代码化信息的液体图案，每种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°，如40°至50°；以及
(4-3)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，得到光子晶体图案，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。
根据该优选的实施方式，与已知的制备光子晶体图案的方法相比，具有以下优点：
(1)能以较低的成本和更高的效率，制备具有较高质量且带隙在空间上能随意分布的光子晶体图案；
(2)制备得到的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(CN101758014A公开的方法制备的光子晶体图案膜的反射光谱中，半峰宽为大于60nm，通常为100nm左右)，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，并且能获得更高的编码容量和信息读取准确率；
(3)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；
(4)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；
(5)简单快速，使用的原料来源广泛，适于规模化实施。
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、聚丙烯酸甲酯和聚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160nm至360nm。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3×10-5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。
在一个实例中，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。
在另一个实例中，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。
在又一个实例中，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。
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。
在该优选的实施方式中，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。在该优选的实施方式中，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≤3.5；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。
在该优选的实施方式中，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。在该优选的实施方式中，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％。在该优选的实施方式中，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。
在该优选的实施方式中，需要提供一系列乳液来形成具有不同禁带位置的光子晶体，以记录信息。可以采用各种方法对乳液进行调整，从而得到具有不同禁带位置的光子晶体。
在一个实例中，改变所述乳液中单分散颗粒的构成材料，从而对制备的光子晶体的禁带位置进行调整。在该实例中，构成材料的改变，既可以是材料种类的改变，也可以是在维持材料种类不变的条件下，调整材料的微观性质，例如：在单分散颗粒为聚苯乙烯颗粒时，可以采用具有不同分子量的聚苯乙烯来形成所述颗粒，从而对形成的光子晶体的禁带位置进行调整。
在另一个实例中，改变所述乳液中单分散颗粒的平均粒径，从而对形成的光子晶体的禁带位置进行调整。
上述两个实例可以单独使用，也可以组合使用，没有特别限定。
根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种以光子晶体作为载体的信息传递方法，该方法包括采用本发明第一个方面所述的方法记录信息，按照步骤(2)所述对应关系，从所述光子晶体图案中读取信息。
根据本发明的信息传递方法，可以根据光子晶体图案中的光子晶体的禁带位置，采用各种方法读取光子晶体图案中的信息。例如，在所述光子晶体图案中的光子晶体的禁带位置均处于可见光区时，可以直接用肉眼识别光子晶体，然后按照步骤(2)所示对应关系确定该光子晶体所携带的信息。
在一种优选的实施方式中，利用光谱法确定所述光子晶体图案中的光子晶体的禁带位置，并按照步骤(2)所述对应关系确定该光子晶体所对应的代码，按照步骤(1)所述编码规则确定该代码所代表的含义，最终确定该光子晶体图案所携带的信息。所述光谱法具体可以为紫外-可见光谱法。
在该优选的实施方式中，由于光子晶体在同一入射光采用不同的入射角度进行照射时，显现出不同的禁带位置，即，将照射光以不同入射角度进行照射，从该光子晶体图案中读取不同的信息。作为一种应用，可以将照射光的入射角度作为一种加密方式。
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。
以下制备实施例和制备对比例、以及实施例和对比例中，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。
以下制备实施例和制备对比例、以及实施例和对比例中，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％。
以下制备实施例和制备对比例、以及实施例和对比例中，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。
以下制备实施例和制备对比例、以及实施例和对比例中，压力均为表压。
制备实施例1-3用于说明光子晶体图案的制备方法。
制备实施例1
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)。
制备实施例2
本制备实施例与制备实施例1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。
制备实施例3
将粒径约为205nm的单分散聚苯乙烯颗粒(参照CN100381872C制备实施例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。
制备实施例1和制备实施例2的结果证实，采用根据本发明优选的实施方式制备光子晶体图案，能制备得到具有更高质量的光子晶体图案，例如：将制备实施例1与制备实施例2进行比较可以看出，采用根据本发明优选的实施方式的制备实施例1制备的光子晶体图案，具有更窄的半峰宽，作为信息记录的载体时，不仅能获得更高的编码容量，而且能获得更高的信息读取准确率。
实施例1-5用于说明根据本发明的信息记录方法和信息传递方法。
实施例1
(1)按照八进制进行编码，建立代码与光子晶体的禁带位置之间的一一对应关系，具体结果如表1所示。
表1
(2)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。用移液枪将乳液按照图1(图1中，n为6)设计的图案滴加在玻璃片(乳液在玻璃片表面的接触角为45°，各种乳液的Pe在表1中列出)表面形成6×6乳液滴点阵(每个点的滴加体积为5μL)。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。采用光学显微镜观察得到的光子晶体图案(如图2所示)，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。采用紫外-可见光谱仪对光子晶体图案进行扫描，得到光子晶体地图(如图3所示)，由光子晶体图案膜的反射光谱图确定，半峰宽在30-60nm的范围内。按照步骤(1)确定的对应关系，同时按照图1中给出的读取方式进行读取，其中，读取时，分别以图1中标出的起始信号和终止信号作为信息起始点和信息终止点，以图1中右上角的功能位点作为确定一行中的位点的数目的标记，得到该光子晶体图案所携带的信息(如图4所示)。
对比例1
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
(1)按照表1给出的代码与光子晶体的禁带位置之间的对应关系，采用条形码进行编码。
(2)采用以下方法对作为载体的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(与步骤(1)涉及的条形码图案一致)。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°。
(3)将实施例1中设计的乳液分别涂布在步骤(2)得到的基底表面，得到在亲水区附着有乳液的硅片，将硅片置于温度为70℃且相对湿度为50％的烘箱中于常压下干燥3分钟，从而得到光子晶体的点阵图案。其中，Pe如表1所示。
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(如图5所示)。采用紫外-可见光谱仪对光子晶体图案进行扫描，确定该条形码所携带的信息(如图5所示)，由光子晶体图案膜的反射光谱图确定，半峰宽在30-60nm的范围内。
实施例3
(1)本实施例采用立体图像编码规则进行编码。
(2)采用以下方法对作为载体的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(与步骤(1)设计的立体图像编码图案一致)。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°。
(3)将实施例1中设计的用于形成光子晶体结构色为绿色的乳液涂布在步骤(2)得到的基底表面，得到在亲水区附着有乳液的硅片，将硅片置于温度为70℃且相对湿度为50％的烘箱中于常压下干燥3分钟，从而得到光子晶体的点阵图案。其中，Pe为2.12。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(如图6所示)，由光子晶体图案膜的反射光谱图确定，半峰宽在30-60nm的范围内。
实施例4
(1)将“ICCAS 1956”采用摩斯编码进行编码和加密。
(2)建立代码与光子晶体的禁带位置之间的一一对应关系，具体结果如表2所示。
表2
(3)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2.5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2.2×10-5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°，各种乳液的Pe在表2中列出)表面形成乳液滴点阵(每个点的滴加体积为5μL)。然后，将具有液体点阵图案的玻璃片置于温度为80℃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5分钟，从而得到光子晶体的点阵图案。
采用光学显微镜观察得到的光子晶体图案(如图7所示)，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。采用紫外-可见光谱仪对光子晶体图案进行扫描，得到光子晶体地图(如图8所示)，并按照表2给出的对应关系确定该光子晶体图案携带的编码信息(如图9所示)，由光子晶体图案膜的反射光谱图确定，半峰宽在30-60nm的范围内。
实施例5
(1)建立代码与光子晶体的禁带位置之间的一一对应关系，具体结果如表3所示(注：表3中列出的光子晶体结构色是指采用紫外-可见光谱仪以入射角度为0°进行照射时，光子晶体显示出的颜色)。
表3
(2)将不同粒径(如表1所示)的单分散聚甲基丙烯酸甲酯颗粒(参照CN101758014A实施例2的方法合成，不同的是，不使用丙烯酸和苯乙烯)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，单分散聚甲基丙烯酸甲酯颗粒的含量均为2.5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2.6×10-5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°，各种乳液的Pe在表1中列出)表面形成3×3乳液滴点阵(每个点的滴加体积为5μL)。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。采用光学显微镜观察得到的光子晶体图案，表明在玻璃片表面形成了规则且表面平整的光子晶体图案。采用紫外-可见光谱仪对光子晶体图案分别按照0°和30°的角度(入射角度是指入射光相对于光子晶体图案表面的法线方向的角度)进行扫描，分别得到显示出具有两种不同颜色的光子晶体图案(如图10所示)，由光子晶体图案膜的反射光谱图确定，半峰宽在30-60nm的范围内。
实施例1-5的结果证实，根据本发明的方法能以简便的工艺形成具有较高质量的光子晶体图案作为信息记录的载体。
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 (34)

1.一种信息记录方法，该方法包括以下步骤：
(1)提供一种编码规则；
(2)将所述编码规则中的代码与光子晶体的禁带位置建立一一对应关系；
(3)将待记录的信息按照所述编码规则代码化，以将待记录的信息转化成为代码化信息；
(4)按照步骤(2)所述对应关系，形成相应于所述代码化信息的光子晶体图案；
步骤(4)中，形成所述光子晶体图案的方法包括：
(4-1)提供一系列乳液，一种乳液用于形成具有一种禁带位置的光子晶体，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；
(4-2)将乳液按照步骤(2)所述对应关系施用于基底需要形成光子晶体的表面，以形成相应于所述代码化信息的液体图案，每种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
(4-3)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，得到光子晶体图案，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。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，每种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：2.01≤Pe≤3.5。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，关系式II：0＜Pe≤0.2。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，关系式II：0.01≤Pe≤0.1。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，关系式II：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，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。
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，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。
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，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3×10-5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。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述单分散颗粒的平均粒径为50nm至500nm。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述单分散颗粒的平均粒径为100nm至400nm。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述单分散颗粒的平均粒径为160nm至360nm。
21.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、有机-无机复合颗粒和量子点；
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。
22.根据权利要求21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、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。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述溶剂选自水和C1-C5的链烷醇。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述溶剂选自水、乙醇和乙二醇。
25.根据权利要求21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。
26.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。
27.根据权利要求26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；更优选选自硅基底、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。
28.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将所述乳液施用于基底表面：喷墨打印、转印、点胶和滴加。
29.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多种获得具有不同禁带位置的光子晶体：
(I)改变所述乳液中单分散颗粒的构成材料；
(II)改变所述乳液中单分散颗粒的颗粒大小。
30.根据权利要求1-7中任意一项所述的方法，其中，所述编码规则为加密编码规则。
31.一种信息传递方法，该方法包括采用权利要求1-30中任意一项所述的方法记录信息，按照步骤(2)所述对应关系，从光子晶体图案中读取信息。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，采用紫外-可见光谱法确定所述光子晶体图案中的光子晶体的禁带位置。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，改变入射光的入射角度，以从所述光子晶体图案中读取不同信息。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，将改变入射光的入射角度作为对信息加密的方法。
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