[发明专利]一种通过强电磁共振产生亮丽结构色材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种基于中等折射率材料三维有序结构产生强电磁共振和亮丽结构色的方法。利用高度有序的三维结构将中等折射率的介电微球在可见光区与光相互作用产生的电磁共振峰相干叠加，使其强度增加，进而可以观察到结构色。另外，当观察角度较小时，电磁共振峰的峰强度远高于光子禁带的反射峰强度，且半峰宽远远小于光子禁带的半峰宽，即当观察角度较小时，电磁共振峰产生的结构色的色彩饱和度更高且亮度也更高。

技术领域

本发明涉及光学领域，特别涉及一种通过强电磁共振产生亮丽结构色材料的制备方法。

背景技术

光是一种电磁波，当其与单个介电纳米微球相互作用时，微球内部的磁偶极子和电偶极子共振同时激发、相互干扰进而产生电磁共振现象，产生散射峰(Naturecommunications,2013,4:1527)。随着微球粒径的增加，电磁共振散射峰会发生红移(AdvancedMaterials,2015,27(45):7432-7439)。由于与等离子体激元相比，电磁共振具有更低的吸收损耗，所以在生物传感器、太阳能电池以及信息存储等方面具有更广泛的发展前景。但是，自然界中缺少这种可以在可见光区产生强烈电磁共振散射的材料，所以研究者在人工制备微观结构产生结构色方面做了很多工作。研究表明，根据米氏散射理论，高折射介电纳米微球，例如硅(Si)、锗(Ge)或砷化镓(GaAs)等可以产生电磁共振，但是这些具有高折射率的纳米材料通常需要复杂的物理方法得到，制备过程耗时且制备面积较小，从而大大限制了其应用。而中等折射率的介电微球与高折射率的介电微球具有相似的光学性质，且利用化学法制备中等折射率的微球技术相对成熟，如果能利用中等折射率介电微球产生强电磁共振将拓宽电磁共振在很多领域的应用。虽然文献报道了(文献)单个中等折射率微球具有电磁共振现象，但是电磁共振很弱，无法达到作为发光增强或天线的实际应用效果。

当介电微球的粒径在一定范围内时，当强电磁共振的波长位于可见光区时，可以产生亮丽的颜色，属于结构色。结构色是指物质的微纳结构与光的相互作用，从而产生光的衍射、干涉或散射等现象，当峰位置位于可见光区且强度达到一定值时，就可以观察到结构色。与色素色相比，结构色具有亮度高、色彩饱和度高及不褪色等特点，受到人们的广泛关注。目前利用微球通过人工制备微观结构产生结构色的方式主要有两种：一是微球通过自组装得到高度有序的三维结构，该结构具有光子禁带，表现为特定波长的光无法透过，被反射，当反射峰位于可见光区即产生结构色；另一方面，利用喷涂等方法，在基质上得到无定型结构，通过相干散射产生非虹彩效应的结构色。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过强电磁共振产生亮丽结构色材料的制备方法，利用中等折射率的介电纳米微球通过自组装的方法得到三维有序阵列，单个介电微球与光相互作用产生电磁共振现象，自组装成三维有序结构后微球间电磁共振发生相干叠加，产生强电磁共振现象。当微球的粒径合适时，强电磁共振现象发生在可见光区，即可以观察到亮丽的结构色。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：

一种通过强电磁共振产生亮丽结构色材料的制备方法，介电微球分散液通过溶剂蒸发，在基质上自组装得到高度有序的三维结构，介电微球的折射率的范围为1.7-3.0，优选2.0-3.0；所述微球的粒径范围为170-500nm，优选200-400nm。

具体为：称取一定质量的介电微球的粉末，将其配置成一定浓度的分散液，超声得到分散均匀且稳定的分散液，取一定量的分散液利用溶剂挥发过程，使微球在基质上自组装得到高度有序的三维结构。

进一步地，在上述技术方案中，所述的介电微球的粉末为硫化镉(CdS)、氧化亚铜(Cu₂O)、二氧化钛(TiO₂)、硫化锌(ZnS)中的一种。

进一步地，在上述技术方案中，所述分散液的浓度范围为2wt％-30wt％。

进一步地，在上述技术方案中，所述的分散液中的溶剂为水或乙醇中的一种或两种。