图案化及高机械灵敏度光子晶体凝胶的构筑

发布时间：2020-03-22 09:08

【摘要】：光子晶体是由两种或两种以上不同介电常数的介质周期性排布形成的。响应性光子晶体的光子带隙在外界刺激下会发生改变,因此其在传感、显示、检测等领域具有重要的应用价值。以胶体晶体为模板制备的光子晶体具有显著的优点,因此成为光子晶体材料的研究热点之一。磁性纳米粒子在磁场下能快速组装成规整的一维链状结构,磁性纳米粒子快速组装的特点大大缩短光子晶体的制备时间,因此磁性纳米粒子也常用作光子晶体的组装单元。响应性光子晶体可用于检测机械刺激(应力刺激)。现有的机械响应性光子晶体存在灵敏度不高、制备方法复杂、机械稳定性差等方面的问题。另外一方面,基于响应性光子晶体制备的图案化光子晶体在信息存储、防伪等方面具有潜在应用价值。已有的基于响应性光子晶体制备图案化光子晶体的方法存在的制备过程复杂,制备得到的光子晶体材料存在的单色性不好或者不能实现全色调控等问题。本论文以磁性纳米粒子为组装单元,设计制备了机械响应性光子晶体和图案化光子晶体,主要成果如下:(1)设计了一种操作简单、可高效调控机械灵敏度的机械响应性光子晶体材料制备方法。利用一步溶剂热的方法制备碳包覆的四氧化三铁(Fe_3O_4@C)纳米粒子,Fe_3O_4@C作为组装单元与丙烯酰胺(AM)、模板分子聚乙二醇(PEG)共混,该混合物在磁场存在的情况下进行紫外光聚合制备得到PEG掺杂的Fe_3O_4@C/聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶光子晶体膜,在纯水中浸泡除去PEG模板分子从而得到具有丰富孔结构的Fe_3O_4@C/PAM水凝胶光子晶体膜。研究PEG掺杂量对Fe_3O_4@C/PAM水凝胶光子晶体膜的机械灵敏度的影响。对比不同PEG掺杂量的Fe_3O_4@C/PAM水凝胶光子晶体膜在相同压力下的波长位移,PEG掺杂量高的Fe_3O_4@C/PAM水凝胶光子晶体膜具有更大的波长变化。结果表明,通过提高PEG的掺杂量,Fe_3O_4@C/PAM水凝胶光子晶体膜的机械灵敏性有显著的提升。通过在制备过程中掺杂不同含量的PEG分子就可制备具有不同机械灵敏度的Fe_3O_4@C/PAM水凝胶光子晶体膜,而且改变PEG的含量对水凝胶膜的机械灵敏度的调控非常高效,利用PEG掺杂的方法可得到高机械灵敏度的光子晶体膜。(2)发展了一种具有光/热可调控的、结构色鲜艳并且可实现全色显示特点的图案化光子晶体的制备方法。利用一步溶剂热的方法制备Fe_3O_4@C纳米粒子。Fe_3O_4@C纳米粒子在磁场下组装的同时,利用紫外光固化的方法将组装好的一维纳米链固定在聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)凝胶内部,制备得到Fe_3O_4@C/PNIPAM光子晶体膜。Fe_3O_4@C/PNIPAM光子晶体膜在AM预聚体溶液中充分溶胀后,在具有特定图案的掩膜存在的条件下对其进行紫外光聚合制备得到局部具有PNIPAM/PAM互穿网络(IPN)的Fe_3O_4@C/PNIPAM光子晶体膜(PNIPAM-PNIPAM/PAM光子晶体膜)。在初始状态(25℃)下,制备的图案化光子晶体膜图案不可见,在热刺激下可实现图案显现的转变过程。制备的图案化光子晶体膜具有光热转换性质,在光刺激的作用下图案也可显现。图案化光子晶体膜在整个图案显现的过程,颜色变化覆盖了整个可见光波长范围,因此该图案化光子晶体膜可实现全色显示。增加图案化光子晶体膜的PNIPAM/PAM互穿网络区域占据的比例能够提高PNIPAM区域的热响应程度。
【图文】：

1 绪 论1.1 光子晶体1.1.1 光子晶体的概念光子晶体是由两种或两种以上的介质周期性排布形成的结构有序的材料，最早在1987 年由 Yablonovitch 和 John 提出[1, 2]。早期发现的自然界中光子晶体的主要呈现形式是蛋白石结构，它是球形二氧化硅纳米颗粒的有序沉积以及受水流和重力的挤压形成的[3]。随后，隐藏在自然界中的各种具有光子晶体结构的生物逐渐被科研工作者发现。野西瓜苗中着色部分随着观测角度的变化会呈现蓝色、绿色和黄色，这是由于其内部具有一维的光栅结构[4]。澳大利亚小甲虫的外壳从任何一个角度看都呈金属绿色，这是由于其类似蛋白石的光子晶体结构导致的[5]。具有规整微结构的大闪蝶的翅膀显现出鲜艳的蓝色，它被乙醇浸润后可由蓝色变为绿色[6]。（如图 1.1）

(a) 一维光子晶体，(b) 二维光子晶体，(c) 三维光子晶体[7]。 光子晶体的性质光子晶体的周期性结构赋予其独特的光学特征。当电磁波在具有周期性结传播时，由于存在布拉格衍射电磁波受到调制形成能带结构，能带与能带隙，即光子带隙。如果光子能量处在光子带隙内，则电磁波不能在该晶体中地说，光子晶体具有波长选择的功能，可以有选择地使某个波段的光通过波长的光通过其中。光子晶体满足布拉格衍射定律：mλ=2ndSinθ，其中 m λ 是衍射波长，n 是体系的平均折射系数，，d 是晶格间距，θ 是入射光角度3）当衍射波长落在可见光波长范围时，光子晶体材料所具有的结构色裸眼
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O734

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本文编号：2594842