[发明专利]在超疏水生物体或超疏水仿生物体的表面制备无裂纹光子晶体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及高质量无裂纹光子晶体的制备方法，特别涉及在超疏水生物体或超疏水仿生物体的表面制备高质量自支撑无裂纹蛋白石结构的光子晶体，及制备高质量自支撑无裂纹反蛋白石结构的光子晶体的方法。

背景技术

“光子晶体”这一概念首次被提出是在1987年，这种折光指数周期性排列的材料对光子具有特殊的调控能力，这一点使其在光学器件、全色显示、生化检测等领域具有广泛而深远的应用前景。早期光子晶体的制备多采用微加工的方法，这种方法较为复杂，且成本较高。并且近年来，由于微加工方法本身的技术瓶颈，这一传统的制备光子晶体的方法越来越难以满足光子晶体在可见光区以及更短波长范围内的应用。这时，通过胶体小球自组装制备得到光子晶体的方法，由于其操作方法简便，成本价格低廉，引起了研究人员的广泛而浓厚的研究兴趣。然而，通过胶体粒子自组装制备光子晶体的过程中，乳胶粒子会由于干燥收缩以及粒子间的相互作用而在基材表面发生移动，但基材与乳胶粒子间的黏滞力又阻止了乳胶粒子的移动，因此会在光子晶体的内部产生应力，并最终导致产生裂纹。这种裂纹的产生严重破坏了光子晶体的周期性结构，破坏了光子晶体的光学特性，极大地限制了其在各领域的实际应用。研究者们为解决这一问题已经开展了一系列的工作。例如：采用特殊模板辅助自组装过程(C.J.Jin，N.P.Johnson，Nano Lett.2005，5，2646-2650)、在自组装之前将乳胶粒子通过高温进行预收缩(D.J.Norris，Appl.Phys.Lett.2004，84，3573-3575)以及避免干燥过程(T.Sawada，Adv.Funct.Mater.2005，25；T.Sawada，Langmuir 2009，13315)等方法从防止乳胶粒收缩的角度，避免裂纹的产生；或者，采用在液体表面进行自组装(Zentel R.，Chem.Mater.2002，14，4023-4025)以及通过特殊物质诱导光子晶体从高堆积密度镜面向低堆积密度晶面转变(B.Hatton，L. Mishchenko，S.Davis，K.H.Sandhage，J.Aizenberg，PNAS，2010，107，23，10355)使乳胶粒子各向同性收缩，不在基材上发生移动，由此避免了光子晶体在自组装过程中产生裂纹的问题。然而，上述这些避免光子晶体裂纹的方法中，或多或少地存在以下几个缺点：1.成本相对较高，制备过程繁琐；2.对环境有污染，存在安全隐患；3.在低堆积密度晶面上虽然避免了裂纹，却没有解决高堆积晶面上裂纹的问题；4.都仅适用于某些特定的乳胶粒子，不具有普适性。为了进一步推动光子晶体的实际应用，简单、经济、环保、安全的普适性制备方法一直以来都是科研工作者不懈努力的研究方向。中科院化学所的宋延林研究组将单分散乳胶粒通过重力沉积方法，在采用特殊方法制备得到的物体超疏水表面上进行自组装，制备得到了大面积自支撑无裂纹的光子晶体。本发明在该工作的基础上，简化甚至省去了制备物体超疏水表面的步骤，将乳胶粒子通过重力沉积方法组装在超疏水生物体或超疏水仿生物体的表面上，制备得到了大面积、高质量、自支撑、无裂纹的光子晶体，本发明操作简单、成本低廉、环境友好，并且具有非常好的普适性，这对于推动光子晶体的实际应用具有重大的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简单、成本低廉、环境友好，并且具有很好普适性的在超疏水生物体或超疏水仿生物体的表面制备高质量自支撑无裂纹蛋白石结构的光子晶体，及制备高质量自支撑无裂纹反蛋白石结构的光子晶体的方法。

本发明的在超疏水生物体或超疏水仿生物体的表面制备无裂纹光子晶体的方法：将单分散微球分散在水中形成乳液，在温度为5～95℃、湿度为5～95％的条件下，将乳液置于超疏水生物体或超疏水仿生物体的表面，依靠乳液中单分散微球自身的重力作用进行沉积，便可以简便地在超疏水生物体或超疏水仿生物体的表面上制备得到由上述单分散微球自组装形成的高质量自支撑无裂纹蛋白石结构的光子晶体。

将上述制备得到的高质量自支撑无裂纹蛋白石结构的光子晶体作为牺牲模板，在构成所述牺牲模板的单分散微球之间的空隙中填充功能性物质之后，再进一步除去所述的牺牲模板，就能够制备得到高质量自支撑无裂纹反蛋白石结构的光子晶体。

在所述的作为牺牲模板的单分散微球之间的间隙中填充功能性物质的方法选自滴涂、浸涂、电化学沉积、化学气相沉积及提拉填充法中的一种。

所述的除去所述的牺牲模板所采用的方法选自煅烧、有机溶剂(如：甲苯或四氢呋喃等)溶解及氢氟酸溶解方法中的一种或几种。所述的煅烧温度优选是160℃～600℃。