[发明专利]一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光子晶体领域，特别涉及一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法。

背景技术

光子晶体是由折射率不同的两种或多种介电材料在空间周期性排列而成有序结构。例如孔雀的羽毛，蝴蝶的翅膀，绚丽的蛋白石，它们均是在自然界广泛存在的光子晶体。这种来源于他们自身的纳米，微米周期结构的绚丽的“结构色彩”，具有永不褪色的特点，是新一代显示设备和光学器件的理想材料。因此，如何能够人工制备光子晶体是科学家们一直努力的目标。传统的制备光子晶体的方法包括物理光刻的方法和化学自组装的方法，其中自组装方法由于成本低廉、操作简便，是目前制备光子晶体的常用方法。随着溶剂的挥发，微球逐渐相互靠近并产生紧密堆积形成光子晶体。但是在自组装过程中，由于微球之间的相互作用力较弱，随着溶剂的蒸发，组装基材对微球的粘附力增加，从而不可避免的产生裂纹。这严重影响了光子晶体的质量，同时限制了所制备的光子晶体在光学器件等领域的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法，该方法在消除光子晶体裂纹的同时，又不影响制备得到的光子晶体的光学质量；工艺简单，节约了制备成本，且普适性强，具有良好的应用前景。

本发明的一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法，包括：

将金属离子化合物配制成浓度0.1wt％～5wt％的水溶液，然后加入含有功能基团的单分散微球溶液中，超声分散均匀，在恒温恒湿环境或恒温环境条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。

所述金属离子为Zn²⁺、Al³⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cu²⁺、Zr⁴⁺中的一种或几种等具有良好络合能力的离子。

所述功能基团为羧基、氨基、羟基、羰基中的一种或几种。所述功能基团应为易与金属离子形成配位络合物、且易于被修饰的功能基团。

所述含有功能基团的单分散微球为聚合物微球、无机纳米微球或无机纳米微球为核、聚合物为壳的核壳结构微球。所述的单分散微球为市售或基于文献合成(Advanced Materials,2014,26,1058；Angew.Chem.Int.Ed.2012,51,9297；Macromol.Chem.Phys.2006,207,596；Chem.Mater.,2000,12,508；Colloid.Polym.Sci.1974,252,464.)。

所述聚合物为聚苯乙烯-聚丙烯酰胺、聚-N-异丙基丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸、聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸、聚丙烯酰胺中的一种或几种的共聚物。

所述无机纳米微球为二氧化硅、二氧化钛、四氧化三铁、氧化铁、碳黑、稀土氧化物中的一种或几种，或者其他无机纳米材料。

所述含有功能基团的单分散微球的粒径范围为100～500nm；浓度为1wt％～10wt％；单分散微球的单分散性小于5％。

所述恒温恒湿环境的条件为：温度40℃～80℃，湿度40％～90％；所述恒温环境的条件为：温度40℃～80℃。

本发明提出了利用微球自组装过程中微球表面的功能基团与金属离子之间的络合作用来消除裂纹的新思路。通过加入具有不同络合常数的金属离子，与微球共组装得到高质量无裂纹的光子晶体。本发明的创新性在于：利用金属离子与微球表面功能基团之间强的络合作用力来抵消光子晶体组装过程中基材对组装单元的粘附力，在消除裂纹的同时又不影响制备得到的光子晶体的光学质量，得到一种简便的制备大面积无裂纹光子晶体的新思路。目前本发明中涉及到的研究方法尚未见文献报道。

本发明通过对单分散微球表面进行功能基团修饰后，利用功能基团与金属离子之间形成配位键的络合作用力，抵消掉由于基材的粘附力和微球收缩而产生的拉伸应力，制备得到大面积无裂纹的光子晶体。

有益效果

本发明在消除光子晶体裂纹的同时，又不影响制备得到的光子晶体的光学质量；工艺简单，节约了制备成本，且普适性强，具有良好的应用前景。

附图说明

图1a为本发明制备的无裂纹光子晶体的光学显微镜照片；图1b和1c均为制备的无裂纹光子晶体的扫描电镜照片；图1d为制备的无裂纹光子晶体的傅里叶变换谱图。

具体实施方式