CN114273190A - 一种在基底上构建非晶光子晶体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光子晶体及非晶光子晶体材料领域，具体为的一种在基底上构建非晶光子晶体的方法。本发明将单分散胶体微球分散于水相溶剂中，得到胶体颗粒悬浮液；在基底1表面构建胶体颗粒悬浮液薄层；使用对水相溶剂有强吸收力、并能够阻碍胶体颗粒透过的薄膜作为基底2，并利用化学接枝技术对其表面进行修饰；将基底2的修饰面倒置于基底1表面，利用基底2对于水相溶剂的强吸收力，快速去除基底1胶体颗粒悬浮液薄层中的溶剂，在基底1表面形成非晶光子晶体；移除除基底2，在基底1表面得到非晶光子晶体材料。本发明构建非晶光子晶体的技术，具有速度快，可规模化制备，不受基底材料限制以及可以对非晶光子晶体结构进行调控等多种优点。
Description
技术领域
本发明涉及光子晶体及非晶光子晶体材料领域，具体为的一种在基底上构建非晶光子晶体的方法。
背景技术
光子晶体是由不同介电常数的材料在空间进行周期性排列从而形成的有序结构。这种周期性的排列能使光子晶体形成光子禁带，波长落在禁带中的光被禁止传播并反射。当光子晶体的禁带处在可见光波长范围内时，该波长的光不能透过光子晶体，而是在光子晶体表面形成相干衍射，光子晶体就会显示出此种波长光的颜色。因其独特的光学性质，光子晶体被广泛应用于各种显示防伪材料、光学器件和生物功能材料。
非晶光子晶体区别于长程有序的光子晶体材料，不具有平移对称性或者转动对称性，只具有短程有序结构，可以简单理解为光子晶体的“缺陷态”结构。当光子经过非晶光子晶体中缺陷结构时产生多重散射,并因其短程有序的结构发生相干干涉，形成具有各向同性的光子带隙，在宏观上呈现各向同性、角度无偏的非虹彩结构色效应。在包装装潢、印刷颜料、结构色显示/防伪器件等相关领域具有巨大的应用前景。同时，非晶光子晶体的强光子局域特性，能满足光散射和光传输领域对材料的特殊要求(如提高材料的激光性能或光的发光效率等)，有望在光电器件材料中广泛应用。
利用胶体自组装技术自下而上构建非晶光子晶体，无需光刻机、电子束刻蚀等精密仪器，并具有组装过程快速、能耗低等优点，在过去的20多年间，得到广泛的关注和研究。由于胶体颗粒在热动力学平衡态下组装过程中(如胶体溶液的缓慢挥发过程)，会通过布朗运动，排列形成有序的光子晶体结构，以获得最小的吉布斯自由能。目前利用单分散胶体颗粒自组装制备三维光子玻璃的技术，主要依赖于增强胶体颗粒间相互吸引力(如使用黏性强的胶体颗粒)或加快溶剂挥发过程(如高温加热)，从而抑制胶体颗粒结晶过程，最终得到光子玻璃结构。然而上述方法制备过程中存在复杂的热场、力场或流体场，或难以控制胶体颗粒的运动及组装过程，因此无法精确调控三维非晶态光子玻璃的结构。同时利用上述技术规模化快速构建非晶光子晶体也存在困难。
渗流是指流体在孔隙介质中的流动。基于渗流调控的自组装技术，是利用纳米多孔基底中的渗流来驱动多孔基底表面的胶体乳液中生成特定的微流，可以对粒子的运动和组装过程进行调控。通过对乳液中微流的方向、强度、持续时间进行调控，也可以实现对胶体颗粒组装过程进行控制，并能够对形成的胶体结构的有序度进行量化控制。但是考虑到该技术中非晶光子晶体只能形成于透水阻粒子的多孔基底的表面，局限性太强，这大大降低了非晶光子晶体在各个应用领域的使用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以在多种常用基底上快速、规模化制备非晶光子晶体膜的方法，制备的非晶光子晶体具有面积大、稳定保持的非虹彩结构色。
一种在基底上构建非晶光子晶体的方法，包括：
步骤1，将单分散胶体颗粒分散于水相溶剂中，得到质量分数为1-50％的胶体颗粒悬浮液；
步骤2，通过旋涂、刮涂或滚涂方法，在基底1表面构建胶体颗粒悬浮液薄层；步骤3，使用对水相溶剂有强吸收力、并能够阻碍胶体颗粒透过的薄膜作为基底2，并利用化学接枝技术对基底2表面进行修饰。
步骤4，将基底2的修饰面倒置于基底1表面10秒，利用基底2对于水相溶剂的强吸收力，快速去除基底1胶体颗粒悬浮液薄层中的溶剂，在基底1表面形成非晶光子晶体；
步骤5，移除除基底2，在基底1表面得到非晶光子晶体材料薄膜。
单分散胶体颗粒的粒径范围在150nm～500nm。
步骤1中，单分散胶体颗粒为SiO2,聚(苯乙烯),聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯),ZnO,CuO,Cu2O或MOFs胶体颗粒。
步骤1中，单分散胶体颗粒的形状为球形或多面体形状，所述多面体形状为正方体、正八面体、正十二面体、菱形十二面体。
步骤1中，所述水相溶剂为水与乙醇，甲醇，DMF,乙酸乙酯和乙二醇中的一种或者其中几种按任意比混合的混合溶液。
步骤2中，构建的胶体颗粒悬浮液薄层的厚度在2微米-50微米之间。
步骤2中，基底1为玻璃、ITO、硅片、SiO2、铜片、PET塑料或LED基片。
步骤2中，基底1在使用前需要进行等离子体清洗仪器处理，使基底1亲水化，并于乙醇溶液中超声波清洗3次，并使用氮气吹干。
步骤3中，基底2为照片纸、多孔氧化铝片、多孔硅片、过滤膜、吸水高分子膜或纳米纸张。
步骤3中，对基底2进行特定基团化学接枝，降低基底2与胶体颗粒的粘附性，使用的接枝试剂为含氟硅氧烷或含烷基硅氧烷。
步骤3中，对基底2进行特定基团化学接枝的工艺步骤为：在0.5L的密闭容器内放入基底2和1ml含接枝试剂体积分数为5％的乙醇溶液，于烘箱中70摄氏度加热反应12小时，之后取出基底2备用。
步骤4中，基底2倒置于基底1胶体溶液层表面，接触时间10秒后，移除基底2。
步骤5中，在基底1表面形成的非晶光子晶体为二维或三维结构，厚度100纳米-10微米。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明方法的原理如下：本发明利用多孔基底2中的渗流，去除基底1、2之间胶体颗粒溶液中的溶剂，引导胶体颗粒在基底1、基底2之间进行快速自组装。由于组装过程短，往往在数十毫秒就可以完成，因此胶体颗粒没有足够的时间移动到系统自由能最小的位置，因此无法形成长程有序的胶体光子晶体结构，相反，只能形成非晶光子晶体结构。而通过溶剂去除过程时间的长短、多孔基底2中渗流的强弱(表面基团改性)，可以对非晶光子晶体的有序度、占空比等一系列结构参数进行控制。并利用自组装构建的非晶光子晶体的重力，基底1、2对于自组装结构粘附力的差异，从而将非晶光子晶体转移至基底1的表面。
进一步的，本发明提供的非晶光子晶体膜的组分可为聚苯乙烯、二氧化硅等微球，这些纳米微球单分散性良好且对环境污染较小，溶剂主要为水、乙醇等低污染液体，在环保材料等要求严格的领域具有独特优势。
进一步的，本发明提供的方法可以在多种基底上快速制备非晶光子晶体材料，拓展了其在传感器件、光催化、光电转换、LED器件等领域的应用。
进一步的，本发明提供的方法可以在多种基底上快速制备非晶光子晶体涂层，拓展了其在非虹彩结构色涂料和防伪领域的应用。
进一步的，本发明提供的方法可以准确调控非晶光子晶体的有序度、占空比及其光学性质。
附图说明
图1为本发明制备非晶光子晶体薄膜的方法流程图；
图2为本发明制备的非晶光子晶体膜的SEM照片，白色标尺长度1微米。
图3为本发明制备的非晶光子晶体膜的彩色照片图，在自然光照射下呈现角度无偏的颜色。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的范围。
一种在基底上构建非晶光子晶体的方法，如图1所示，包括：
步骤1，将单分散胶体颗粒分散于水相溶剂中，得到质量分数为1-50％的胶体颗粒悬浮液；
步骤2，通过旋涂、刮涂或滚涂方法，在基底1表面构建胶体颗粒悬浮液薄层；步骤3，使用对水相溶剂有强吸收力、并能够阻碍胶体颗粒透过的薄膜作为基底2，并利用化学接枝技术对其表面进行修饰；
步骤4，将基底2的修饰面倒置于基底1表面10秒，利用基底2对于水相溶剂的强吸收力，快速去除基底1胶体颗粒悬浮液薄层中的溶剂，在基底1表面形成非晶光子晶体；
步骤5，移除除基底2，在基底1表面得到非晶光子晶体材料薄膜。
步骤1中，单分散胶体颗粒为SiO2,聚(苯乙烯),聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯),ZnO,CuO,Cu2O,或MOFs胶体颗粒；单分散胶体颗粒的粒径范围在150nm～300nm；
步骤1中，单分散胶体颗粒的形状为球形或多面体形状，所述多面体形状为正方体、正八面体或正十二面体。
步骤1中，所述水相溶剂为水与乙醇，甲醇，DMF,乙酸乙酯，乙二醇中的一种或者其中几种按任意比混合的混合溶液。
步骤2中，基底1为：玻璃、ITO、硅片、SiO2、铜片、PET塑料或LED基片，基底1形状为正方形或长方形。
步骤2中，基底1在使用前需要进行等离子体清洗仪器处理，使基底1亲水化，并于乙醇溶液中超声波清洗3次，并使用氮气吹干。
步骤2中，利用滚涂棒滚涂的方法或利用旋涂法在基底1表面构建的胶体颗粒悬浮液薄层的典型厚度在2微米-50微米之间。
步骤3中，基底2为：照片纸、多孔氧化铝片、多孔硅片、过滤膜、吸水高分子膜或纳米纸张。
步骤3中，对基底2进行特定基团化学接枝，降低基底2与胶体颗粒的粘附性，使用的接枝试剂可为含氟硅氧烷或含烷基硅氧烷。
步骤3中，对基底2进行特定基团化学接枝的条件为：在0.5L的密闭容器内放入基底2和1ml含接枝试剂体积分数5％的乙醇溶液，于烘箱中70摄氏度加热12小时。
步骤4中，基底2倒置于胶体溶液层表面，接触10秒后，移除基底2。
步骤5中，在基底1表面形成非晶光子晶体为二维或三维结构，厚度100纳米-10微米。
本发明公开了一种能够在多种基底上构建非晶光子晶体的方法，这种非晶光子晶体是由SiO2聚苯乙烯等纳米颗粒在一片无孔平整基底及一片吸水阻碍粒子多孔基底中间自组装形成。通过揭去吸水多孔基底，非晶光子晶体薄膜形成于平整基底表面。
所述非晶光子晶体对于相应波段的反射率在5％-10％，膜厚150纳米至10微米。
实施例1：
1)常温常压下，将粒径215nm的单分散SiO2微球分散于水、乙醇和甲醇体积比1：1：1的混合溶液中，得到质量分数为10％的胶体颗粒悬浮液。
2)取3cm*3cm的玻璃片，使用等离子体清洗仪器处理，使基底亲水化，并于乙醇溶液中超声波清洗3次，并使用氮气吹干。
3)取多孔氧化铝片3cm*3cm一片，置于体积0.5L的玻璃瓶中，加入1ml含体积分数5％的丙基硅氧烷的乙醇溶液，于烘箱中70摄氏度加热12小时。
4)将50微升胶体颗粒悬浮液滴加于玻璃片上，并使用尺寸为18#的滚涂棒，在玻璃片表面构建厚度为20微米的纳米微球乳液薄层。
5)将修饰后的取多孔氧化铝片倒置在步骤4)中涂有胶体微球乳液薄层的玻璃片上，10秒钟后，揭开多孔氧化铝片，在玻璃片表面得到三维非晶光子晶体薄膜，如图2所示。
实施例2：
1)常温常压下，将粒径250nm的单分散MOF胶体颗粒分散于甲醇/水体积比4：1的混合溶液中，得到固含量10wt％的胶体颗粒悬浮液。
2)取4cm*16cm的PET片，使用等离子体清洗仪器处理，使基底亲水化，并于乙醇溶液中超声波清洗3次，并使用氮气吹干。
3)取爱普生照片纸4cm*16cm一张,将其粘在直径为5cm的圆柱侧面，围一圈。
4)将照片纸圆柱置于体积0.5L的玻璃瓶中，加入1ml含体积分数5％的丙基硅氧烷的乙醇溶液，于烘箱中70摄氏度加热12小时。
5)将200微升胶体颗粒悬浮液加于PET片上，并使用尺寸为20#的滚涂棒，在PET片表面构建厚度为20微米的胶体颗粒悬浮液薄层。
6)将3)中黏有照片纸的圆柱在步骤4)中涂有胶体颗粒悬浮液薄层的PET片上缓缓滚动而过，在PET片表面得到三维非晶光子晶体薄膜。
Claims (6)
1.一种在基底上构建非晶光子晶体的方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，将单分散胶体颗粒分散于水相溶剂中，得到质量分数为1-50％的胶体颗粒悬浮液；
步骤2，通过旋涂、刮涂或滚涂方法，在基底1表面构建胶体颗粒悬浮液薄层；
步骤3，使用对水相溶剂有强吸收力、并能够阻碍胶体颗粒透过的薄膜作为基底2，并利用化学接枝技术对基底2表面进行修饰，降低基底2与胶体颗粒的粘附性；
步骤4，将基底2的修饰面倒置于基底1表面10秒，利用基底2对于水相溶剂的强吸收力，快速去除基底1胶体颗粒悬浮液薄层中的溶剂，在基底1表面形成非晶光子晶体；
步骤5，移除除基底2，在基底1表面得到非晶光子晶体材料薄膜。
2.如权利要求1所述的一种在基底上构建非晶光子晶体的方法，其特征在于，步骤1中，单分散胶体颗粒的粒径范围在150nm～500nm；单分散胶体颗粒为SiO2,聚(苯乙烯),聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯),ZnO,CuO,Cu2O或MOFs胶体颗粒；单分散胶体颗粒的形状为球形或多面体形状，所述多面体形状为正方体、正八面体、正十二面体或菱形十二面体；所述水相溶剂为水与乙醇，甲醇，DMF,乙酸乙酯和乙二醇中的一种或者其中几种按任意比混合的混合溶液。
3.如权利要求1所述的一种在基底上构建非晶光子晶体的方法，其特征在于，步骤2中，构建的胶体颗粒悬浮液薄层的厚度在2微米-50微米之间；基底1为玻璃、ITO、硅片、SiO2、铜片、PET塑料或LED基片；基底1在使用前需要进行等离子体清洗仪器处理，使基底1亲水化，并于乙醇溶液中超声波清洗3次，并使用氮气吹干。
4.如权利要求1所述的一种在基底上构建非晶光子晶体的方法，其特征在于，步骤3中，基底2为照片纸、多孔氧化铝片、多孔硅片、过滤膜、吸水高分子膜或纳米纸张；对基底2进行特定基团化学接枝，使用的接枝试剂为含氟硅氧烷或含烷基硅氧烷，对基底2进行特定基团化学接枝的工艺步骤为：在0.5L的密闭容器内放入基底2和1ml含接枝试剂体积分数为5％的乙醇溶液，于烘箱中70摄氏度加热反应12小时，之后取出基底2备用。
5.如权利要求1所述的一种在基底上构建非晶光子晶体的方法，其特征在于，步骤4中，基底2倒置于基底1胶体溶液层表面，接触时间10秒后，移除基底2。
6.如权利要求1所述的一种在基底上构建非晶光子晶体的方法，其特征在于，步骤5中，在基底1表面形成的非晶光子晶体为二维或三维结构，厚度100纳米-10微米。
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| US20080074462A1 (en) * | 2006-09-22 | 2008-03-27 | Fujifilm Corporation | Image forming apparatus |
| US20190243237A1 (en) * | 2016-07-08 | 2019-08-08 | University Of Massachusetts | Patterning of nanostructures using imprint lithography |
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-
2021
- 2021-11-22 CN CN202111385675.9A patent/CN114273190A/zh active Pending
Patent Citations (3)
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