[发明专利]光子禁带可调节及呈现图案化颜色显示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，具体涉及一种在电场诱导下组装成具有光子禁带可调节并呈现图案化颜色显示的聚合物光子晶体的制备方法。

背景技术

光子晶体在1987年由S.John和E.Yablonovitch分别独立提出后，便受到了学者的广泛关注。对于由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构，通过对介电常数周期性的调节，引起空间折射率或晶格周期的变化，便可以实现光子晶体光子禁带的调节。

电场力的环境刺激响应一直被认为是一种比较智能的操控手段，利用光子晶体材料的光电信号转换能力能够使其在信号传导、显示设备等光学器件中表现出突出的物理化学性能。加拿大多伦多大学的Ozin等学者制备了一种结构色随电化学刺激响应的胶体晶体膜材料。这种“电墨水”（P-Ink）光子晶体膜是通过将聚二茂铁基硅烷（PFS）凝胶灌注在蛋白石结构的光子晶体中制备的一种金属聚合物复合膜材料。将这种复合膜置于电场环境中，金属聚合物凝胶会在不同的负载电压下发生可逆的体积收缩和溶胀。这一过程同时带动晶格周期的变化，由此使“电墨水”材料的结构色彩发生相应的变化。这种电响应的光子晶体膜可以在微小的电压调控下在短时间内获得相应的结构色变化，并且变化范围可以覆盖整个可见光区，但其对区域性的结构颜色控制并不是十分显著。韩国KAIST大学的Yang等学者通过磺化作用制备了尺寸单分散的，并具有高表面电荷含量的聚苯乙烯（PS）微球，由于PS微球彼此间的静电斥力，其在介质溶液中可以自组装成非紧密堆积的面心立方光子晶体结构。当对此光子晶体结构施加负载电压后，非紧密堆积的光子晶体结构的构筑基元PS微球便会在电场作用下发生区域浓度的增加或降低，使晶格周期发生相应的变化。从而导致胶体晶体阵列的结构色随负载电压的变化而发生明显的变化。经过硫化作用的聚苯乙烯微球由于其表面较高的电荷分布，在较高的浓度下由于静电斥力的作用可以在纯净介质体系中稳定存在并自组装成为非紧密堆积的光子晶体阵列结构，但由于聚苯乙烯微球的硬质、疏水特性，外界环境的刺激很难使其粒径尺寸发生明显改变，光子禁带的调控只能依赖于处于晶格点位置的聚苯乙烯微球的空间密度的升高或降低来完成，由于填充因子的不稳定变化，晶格周期的变化便会对光子禁带半峰宽宽度造成严重的影响，这使其光电转换的性能受到较大的局限。而对于以粒径尺寸均匀的聚苯乙烯或二氧化硅微球作为光子晶体模板，以金属、聚合物及其衍生物作为光子晶体骨架的反蛋白石光子晶体膜，虽然在光子禁带变化的响应性能上获得了很大的提升，但此方法制备周期较长，工艺要求较为复杂，样品容易存在较大的晶格缺陷，并且随着交联剂的加入，这种反蛋白石光子晶体膜具有较低的韧性和体积伸缩比率，这都严重影响了光子禁带的调控范围，及其在光电响应信号转换方面的灵敏度和准确性。

因此，通过选取具有较高表面电势且尺寸均匀的软质核壳结构水凝胶聚合物微球为构筑基元，在电场下利用电泳技术使其在电极板上快速沉积组装，可以获得规整结构的光子晶体。通过不同条件的电场作用，水凝胶聚合物微球的体积溶胀/收缩程度不同，得到光子晶体的不同晶格周期和光子禁带，从而在宏观上实现对光子晶体材料结构色的调控。此外，通过在不同作用位点施加不同负载电压等方法，电场诱导沉积组装的水凝胶聚合物光子晶体还具有局部区域色彩从紫外-可见-近红外光的随意调节能力，可以实现光子晶体材料图案化的颜色显示，并且色彩分界清晰、制备过程迅速、操控电压较低、可以重复操作。因此，这种电场组装方法获得性质稳定，结构色鲜亮的光子晶体材料可以作为显示设备的制备模型，在光控开关、可调反射镜、电子显示设备等光学显示应用器件上具有实际的应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种在电场诱导下制备光子禁带可调节并可呈现图案化颜色显示的聚合物光子晶体的方法。