功能性杂化一维光子晶体的构筑及其性质研究

发布时间：2020-10-14 16:38

　　 大自然为生物提供了绚丽多样的颜色。色素,染料和结构色是大自然用来构筑其多彩的“万花筒”最普遍的几种方式。结构色是由周期性排布的有序结构调控光的衍射和反射实现的,这种产生颜色的方式往往更加稳定有效。光子晶体由形状规则、不同介电常数的透明材料周期排布形成,由于结构的存在使得本身无色的材料被赋予明亮的结构色。一维光子晶体作为结构最简单的光子晶体的代表之一,其周期性变化只存在于单一维度上。光子禁带是一维光子晶体的特征光学性质,能够反射特定波长内的光,使其不能通过结构传播,禁带位置可以通过改变结构参数进行调节。一维光子晶体对光的调节是其固有属性,借助一维光子晶体这种性质可以对材料的光学性质进行有效调控。近年来,包括一维光子晶体在内的微纳图案化复合膜的内涵和应用广度在不断拓宽。基于纳米材料优异的荧光,磁性,光热和催化性质,研究工作者成功制备了掺杂半导体、金属、金属氧化物纳米粒子和碳点等的微纳尺度图案化复合膜并将其用于光电领域。本论文中,我们首先对杂化一维光子晶体中的聚合物组分进行设计,赋予其电荷响应性质,实现了对聚电解质和蛋白质的无标可视检测。随后为了丰富一维光子晶体的功能,我们向聚合物杂化一维光子晶体中引入了一系列功能性纳米粒子(如硒化铬、碳点等),利用一维光子晶体的光学特性,实现了对微纳图案化复合膜的光学性质(如荧光强度、发射峰位和半峰宽等)的调控,为一维光子晶体在荧光控制器和发光二极管等光电领域的应用奠定了基础。拓展了一维光子晶体的应用场景。在第二章中,我们通过交替旋涂聚电解质与二氧化钛前驱体溶液,构筑了一种对电荷响应的光子晶体结构,实现了对带电物质的可视、无标检测。首先,通过对质子化后的一维光子晶体在各种聚电解质溶液中的反射光谱和光学图像进行表征,实现了对聚电解质的种类,浓度和分子量的区分。对于天然生物带电材料,通过预先调节溶液的pH值达到对不同种类蛋白质区分的目的。以甲胎蛋白这种生物癌症标志物作为模型,该结构对其可视、无标检测的灵敏度可满足临床要求。该一维光子晶体为肉眼监测健康状况提供了一种通用、直观、方便的方法。在第三章中,我们在石英基底两侧分别制备一维光子晶体和掺杂硒化镉量子点的杂化聚合物薄膜,构筑荧光控制器。这种独立的结构拓宽了组成材料的选择范围。当光源从器件的不同侧面入射时,成功地实现了基于同一结构的荧光增强和减弱效果。此外,由于我们使用的是pH响应性聚合物,荧光强度可以通过改变环境pH值进行多级、可逆地调节。同时,我们利用时域有限差分仿真(FDTD)分析了对荧光强度调控的机理。最后,通过改变初始禁带的位置,一定程度上调节了荧光发射光谱的峰位和半峰宽。因此,我们通过改进结构和材料组成构筑了普适的多功能荧光控制器。在第四章中,我们再一次调变结构和材料,构筑了具有中心缺陷层的一维光子晶体结构。共振腔的存在对其中掺杂的碳点荧光起到窄化和增强的作用。首先,我们对碳点复合膜和一维光子晶体的形貌和基本光学性质分别进行表征。随后,将光子通带与荧光发射光谱重合,实现了对碳点宽谱荧光的窄化,并对机理进行模拟分析。进一步,我们在研究了结构参数对碳点发光窄化与峰位调节作用的基础上,将掺杂碳点的不同周期的一维光子晶体作为颜色转换层,基于同一碳点构筑了多色窄发射的发光二极管(LED)器件。与传统的彩色滤光片不同的是,光子通带在窄化荧光的同时提高了荧光强度。我们创新地利用一维光子晶体窄化了碳点荧光的半峰宽,促进了一维光子晶体在光电器件领域的应用。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O734
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    第一节 杂化有序微纳结构概述
        1.1.1 基于生物模板的有序微纳结构
        1.1.2 基于光子晶体的有序微纳结构
            1.1.2.1 光子晶体
            1.1.2.2 光子晶体衍生结构
    第二节 一维光子晶体概述
        1.2.1 一维光子晶体的基本原理
        1.2.2 一维光子晶体的材料选择
        1.2.3 一维光子晶体的制备方法
    第三节 一维光子晶体的光学应用
        1.3.1 结构色的应用
            1.3.1.1 光学传感与检测
            1.3.1.2 光子纸与防伪
        1.3.2 光调控的应用
            1.3.2.1 荧光调控
            1.3.2.2 减反射
            1.3.2.3 紫外保护
    第四节 本论文设计思路
第二章 无机/聚电解质杂化一维光子晶体的制备及其在蛋白质检测中的应用
    第一节 前言
    第二节 实验部分
        2.2.1 实验原料
        2.2.2 聚电解质响应的一维光子晶体的制备
        2.2.3 可视检测的测试方法
        2.2.4 表征仪器
    第三节 结果与讨论
        2.3.1 传感器的结构和响应过程
        2.3.2 聚电解质的定性定量分析
        2.3.3 对蛋白质的检测
    第四节 本章小结
第三章 基于一维光子晶体的多功能可逆荧光控制器
    第一节 引言
    第二节 实验部分
        3.2.1 实验原料
        3.2.2 硒化镉量子点的制备
        3.2.3 pH缓冲溶液的配制
        3.2.4 表征仪器
    第三节 结果与讨论
        3.3.1 荧光控制器的制备
        3.3.2 硒化镉量子点掺杂聚合物膜层的稳定性表征
        3.3.3 一维光子晶体结构参数对光学性质的影响
        3.3.4 一维光子晶体的p H响应行为
        3.3.5 荧光控制器对荧光的调节效果
    第四节 本章小结
第四章 一维光子晶体调控碳点荧光在LED中的应用
    第一节 引言
    第二节 实验部分
        4.2.1 实验原料
        4.2.2 高荧光材料的制备
        4.2.3 一维光子晶体的制备
        4.2.4 发光二极管器件制备
        4.2.5 表征仪器
    第三节 结果与讨论
        4.3.1 荧光碳纳米点的表征
        4.3.2 制备碳点掺杂一维光子晶体
        4.3.3 一维光子晶体结构参数优化
        4.3.4 利用光子晶体结构调节碳点荧光
        4.3.5 制备彩色的发光二极管器件
        4.3.6 调控荧光的机理研究
    第四节 本章小结
结论与展望
参考文献
作者简介
攻读博士学位期间发表的论文
致谢

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本文编号：2840918