响应型荧光聚合物光子晶体的构建及调控机理研究

发布时间：2020-06-17 04:29

【摘要】：光子晶体是一种具有周期性结构的材料,其特点是具有光子带隙和结构色。具有智能响应的光子晶体在外界条件刺激下,其光子带隙发生迁移进而引起结构色的改变。这一特性使得具有智能响应的光子晶体材料拥有广阔的应用前景。近年来,众多研究者还致力于荧光技术的研究,使其在传感器、环境监测、荧光标记、防伪、全色显示、信息存储等领域有广泛的应用。目前,有很多关于光子晶体与荧光物质相结合的材料的报道,光子晶体与荧光的结合使得光子晶体不仅具有可见光结构色,而且具有荧光特性,使得光子晶体在其他领域的信号表达能力得到拓展和提升。然而,具有响应型荧光聚合物光子晶体的相关研究甚少。因此,本文从分子水平开展对响应型荧光聚合物光子晶体的研究,并对其调控机理进行了探究。主要内容包括:1.设计并制备了分别对254 nm紫外光和365 nm紫外光有响应的氨基甲酸酯类光敏基元和螺吡喃类光敏基元,并对这两种光敏基元的光化学特性进行了研究;将两种光敏基元分别接枝在微球表面形成反应型核壳结构聚合物微球。2.以氨基甲酸酯类光敏基元修饰的核壳结构聚合物微球为主体,系统研究了垂直沉降法、喷涂法以及滚轮涂布法组装光子晶体的影响因素,确定了最佳的组装条件;并对光子晶体的光学性能进行了研究,探究了光子带隙与荧光强度之间的关联,确定了实现荧光增强的途径,当光子晶体的光子带隙与其荧光发射峰匹配时,具有荧光增强的作用。3.以对254 nm紫外光响应的光子晶体为基础,构建了一系列光子晶体荧光阵列和双模式光子晶体三基色显示材料。采用局部曝光法,用垂直沉降法组装的光子晶体形成光子晶体荧光阵列;采用喷涂法,将不同粒径的聚合物微球选择性地喷涂在玻璃和纸板上,得到分别以玻璃和纸板为基底的二维光子晶体图案;基于3D模板法,将不同粒径的聚合物微球喷涂其上得到三维光子晶体图案。这些光子晶体图案不仅具有可见光下的结构色,而且通过紫外光照及化学处理后,亦可发出荧光。这是因为在紫外光的作用下,壳层的光敏基元发生光分解反应产生裸露的胺基,与荧光胺作用后可发出荧光。4.制备了以氨基甲酸酯类光敏基元作为响应性基团的反蛋白石薄膜,并对其特异性响应机理进行了探究。在紫外光照射下,反蛋白石薄膜结构中的氨基甲酸酯类光敏基元发生光分解反应,产生具有亲水性的胺基,与水蒸气作用后,反蛋白石的晶格间距及孔隙折射率发生变化,光子带隙发生红移。此外,基于对水蒸气的响应特性,采用局部曝光的方法制备出反蛋白石薄膜图案。曝光区域的反蛋白石发生光分解产生具有亲水性的胺基,与水蒸气作用后,光子带隙发生红移;未曝光区域的反蛋白石与水蒸气作用后,光子带隙不发生变化,进而形成反蛋白石薄膜图案。当薄膜干燥后,图案消失。5.以对365 nm紫外光响应的光子晶体为基础,与具有电热效应的图案化石墨层复合,分别在玻璃和纸板基材上构建出具有可逆光/电响应特性的光子晶体器件。器件在紫外光照后,光子晶体壳层的光敏基元发生开环反应,发出荧光。经过局部通电后,利用图案化石墨层的电热效应,通电与未通电区域的温度造成差异,通电区域缘于光子晶体温度升高,发生闭环反应荧光消失,从而与未通电区域形成光子晶体荧光图案。断电后待温差消失,再次经过紫外光照,壳层的光敏基元再次发生开环反应从而发出荧光,使得光子晶体荧光图案消失。基于光子晶体器件的可逆光/电响应机理特性,使其具有动态显示效果。
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O734
【图文】：

逦３－Ｄ逡逑寒ＩＰ邋＿逡逑图１－１光子晶体的分类示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ＰＣｓ．逡逑一维光子晶体，一般是有两种不同介电常数或折射率的材料交替叠加而成，逡逑其周期性结构变化发生在一个特定方向上，进而产生光子带隙，反射出特定波长逡逑的光。在自然界中，存在着很多一维光子晶体，如大多数植物的叶子，昆虫的壳，逡逑鸟类的羽毛［２５］，均具有鲜艳的结构色，如图１－２所示。逡逑图１－２邋（ａ）野西瓜花的扫描电镜图及实物照片；（ｂ）昆虫壳的扫描电镜图及实物照片；（ｃ）逡逑大闪蝶翅膀的扫描电镜图及实物照片。逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋（ａ）邋ＳＥＭ邋ａｎｄ邋ｏｐｔｉｃａｌ邋ｉｍａｇｅｓ邋ｏｆ邋ｗｉｌｄ邋ｗａｔｅｒｍｅｌｏｎ邋ｆｌｏｗｅｒｓ，邋（ｂ）邋ＳＥＭ邋ａｎｄ邋ｏｐｔｉｃａｌ邋ｉｍａｇｅｓ邋ｏｆ逡逑ｉｎｓｅｃｔ邋ｓｈｅｌｌ，邋（ｃ）邋ＳＥＭ邋ａｎｄ邋ｏｐｔｉｃａｌ邋ｉｍａｇｅｓ邋ｏｆ邋ｍｏｒｐｈｏ邋ｗｉｎｇｓ．逡逑此外，人们也人工合成了很多一维光子晶体，如胆留相液晶光子薄膜。液晶逡逑分子在垂直于螺旋轴的方向层层排列开来

二维光子晶体，是由两种不同介电常数或折射率的介质棒交替排列而成，其逡逑周期性结构变化发生在某两个维度上。大自然中同样存在着很多二维光子晶体，逡逑比如一些昆虫的眼睛，如飞蛾和某些蝴蝶的复眼（如图１－４邋（ａ）），是由圆柱形凸逡逑起堆积而成的六角形纳米阵列［２７］。自然界的一些二维光子晶体不具有鲜艳的结构逡逑色，但是其特殊结构具有减少反射的作用，提高动物的视觉效率，降低被捕的可逡逑能性。例如Ａｐｈｒｏｄｉｔｅ蠕虫的体毛，其结构如图１－４邋（ｂ）所示，是一种具有周期逡逑性结构的长纤维＠］。二维光子晶体除了具有结构色和减少反射的作用外，由于其逡逑特殊的结构，还具有自清洁的功能［２９］。逡逑３逡逑

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本文编号：2717076