[发明专利]光子禁带大范围可调节的聚合物光子晶体的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料领域，涉及一种光子禁带在紫外-可见-近红外大范围可调节的聚合物光子晶体的制备方法。

背景技术

光子晶体是在1987年由S.John和E.Yablonovitch分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。由于介电常数存在空间上的周期性，引起空间折射率的周期变化，当介电常数的变化足够大且变化周期与光波长相当时，光波的色散关系出现带状结构，即光子能带结构。这些被禁止的频率区间称为“光子频率带隙”，频率落在禁带中的光或电磁波是被严格禁止传播的。

光子晶体根据空间分布的周期性可分为一维、二维和三维光子晶体，其共同的特征是具有光子禁带。其带隙变化规律满足布拉格衍射公式。光子晶体是当今材料领域的一个研究热点，它在物理光学器件、化学生物传感、生物医疗诊断等领域都有着广泛的应用。随着科技和信息技术的发展，人们对智能响应的光子材料需求日益增多。大部分智能响应光子晶体是基于三维的opal或者反opal结构。但是这种三维光子晶体很难大面积有序，制备出来的材料颜色不均匀，稳定性差且响应范围有限。同时三维光子晶体制备方法复杂、成本高，这都使其应用受到了一定的限制。而将具有刺激响应性且质地柔软的水凝胶聚合物引入到三维光子晶体体系中，不但有效地解决了三维光子晶体刺激响应范围的局限性同时也增强了三维光子晶体的稳定性。水凝胶（Hydrogel）是以水为分散介质的凝胶。在具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基，亲水残基与水分子结合，将水分子连接在网状内部，而疏水基团则支撑着整个交联聚合物的空间骨架结构。水凝胶是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，且能吸收大量的水。

基于这种外柔内刚的水凝胶三维光子晶体设计合成的一系列物理光学器件，将会为包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等方面的研究提供了理想的辅助材料。另外，通过外界刺激调控其光子禁带，改变其光学性质，从而使其在化学生物传感，彩色打印，显示和光路控制等领域有着潜在的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有光子禁带在紫外-可见-近红外大范围可调节的聚合物光子晶体的制备方法。

该方法首先合成一种尺寸单分散的聚合物水凝胶聚合物微球，通过离心沉积等方式使其快速形成大面积有序组装结构，以获得聚合物光子晶体，具有光子禁带性质。根据水凝胶聚合物微球在不同水分含量下的体积溶胀程度不同，通过调节不同注入水含量使沉积制备的密堆积水凝胶聚合物微球三维有序结构发生可控的体积膨胀，进而使其有序结构的晶格周期可调性变大，衍射光谱峰位发生红移。并且由于其外层的软质水凝胶结构，使其在体积溶胀过程中凝胶微球陷域、融合，彼此填充了因晶格间距增大而产生的体积空隙，从而使晶格间距拉大的过程中几乎没有晶格缺陷的产生。进而始终保持衍射光谱具有较窄的半峰宽、较高的色纯度。由于水凝胶聚合物微球具有高的吸水量，利用这种衍射峰位随水凝胶聚合物微球体积变化而可调节的性质，获得了通过调节对不同注入水含量来实现紫外-可见-近红外大范围光区的光子带隙的聚合物光子晶体，可用于制备灵敏光路转换的器件。这种具有根据外界环境刺激快速响应并可获得同步信号转换的材料开拓了高分子响应性材料体系，在传感器元件，光信息存储及调控，生物监测等方面具有重要的应用价值。

本发明所述的一种具有光子禁带在紫外-可见-近红外大范围可调节的聚合物光子晶体的制备方法，其步骤如下：

（1）通过乳液聚合方式，将2～5mL聚合物单体1、2～5mL聚合物单体2、0～0.80g乳化剂及去150～300mL离子水共同盛入反应容器中，在水浴及室温条件下搅拌（150～600r/min）并通氮气30～50分钟，使体系内胶束分布均匀；然后升温至70～90℃，加入0.05g～0.60g引发剂反应8～12小时，获得尺寸单分散的水凝胶聚合物微球；反应产物用去离子水离心洗涤，去除未反应的单体和引发剂，从而得到纯化后的水凝胶聚合物微球，通过调控各聚合物单体比例，乳化剂、引发剂用量及反应总体积数使水凝胶聚合物微球的粒径在50nm～1000nm范围内可调，得到的水凝胶聚合物微球的单分散指数（PDI）为0.007～0.050，具有极高的尺寸单分散性；