一種大面積無裂紋光子晶體的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種大面積無裂紋光子晶體的制備方法，包括：將金屬離子化合物配制成濃度0.1wt％～5wt％的溶液，然后加入含有功能基團(tuán)的單分散微球溶液中，超聲分散均勻，在恒溫恒濕環(huán)境或恒溫環(huán)境條件下，自組裝得到大面積無裂紋光子晶體。本發(fā)明在消除光子晶體裂紋的同時，又不影響制備得到的光子晶體的光學(xué)質(zhì)量；工藝簡單，節(jié)約了制備成本，且普適性強(qiáng)，具有良好的應(yīng)用前景。
【專利說明】
一種大面積無裂紋光子晶體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于光子晶體領(lǐng)域，特別涉及一種大面積無裂紋光子晶體的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光子晶體是由折射率不同的兩種或多種介電材料在空間周期性排列而成有序結(jié)構(gòu)。例如孔雀的羽毛，蝴蝶的翅膀，絢麗的蛋白石，它們均是在自然界廣泛存在的光子晶體。這種來源于他們自身的納米，微米周期結(jié)構(gòu)的絢麗的“結(jié)構(gòu)色彩”，具有永不褪色的特點(diǎn)，是新一代顯示設(shè)備和光學(xué)器件的理想材料。因此，如何能夠人工制備光子晶體是科學(xué)家們一直努力的目標(biāo)。傳統(tǒng)的制備光子晶體的方法包括物理光刻的方法和化學(xué)自組裝的方法，其中自組裝方法由于成本低廉、操作簡便，是目前制備光子晶體的常用方法。隨著溶劑的揮發(fā)，微球逐漸相互靠近并產(chǎn)生緊密堆積形成光子晶體。但是在自組裝過程中，由于微球之間的相互作用力較弱，隨著溶劑的蒸發(fā)，組裝基材對微球的粘附力增加，從而不可避免的產(chǎn)生裂紋。這嚴(yán)重影響了光子晶體的質(zhì)量，同時限制了所制備的光子晶體在光學(xué)器件等領(lǐng)域的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種大面積無裂紋光子晶體的制備方法，該方法在消除光子晶體裂紋的同時，又不影響制備得到的光子晶體的光學(xué)質(zhì)量;工藝簡單，節(jié)約了制備成本，且普適性強(qiáng)，具有良好的應(yīng)用前景。
[0004]本發(fā)明的一種大面積無裂紋光子晶體的制備方法，包括:
[0005]將金屬離子化合物配制成濃度0.1?1%?5?1%的水溶液，然后加入含有功能基團(tuán)的單分散微球溶液中，超聲分散均勻，在恒溫恒濕環(huán)境或恒溫環(huán)境條件下，自組裝得到大面積無裂紋光子晶體。
[0006]所述金屬離子為Zn2+、Al3+、Ca2+、Mg2+、CU2+、Zr4+中的一種或幾種等具有良好絡(luò)合能力的離子。
[0007]所述功能基團(tuán)為羧基、氨基、羥基、羰基中的一種或幾種。所述功能基團(tuán)應(yīng)為易與金屬離子形成配位絡(luò)合物、且易于被修飾的功能基團(tuán)。
[0008]所述含有功能基團(tuán)的單分散微球為聚合物微球、無機(jī)納米微球或無機(jī)納米微球為核、聚合物為殼的核殼結(jié)構(gòu)微球。所述的單分散微球為市售或基于文獻(xiàn)合成(AdvancedMaterials，2014，26，1 0 5 8； An g ew.Ch em.1nt.Ed.2012,51 ,9 2 9 7 ；Macromol.Chem.Phys.2006，207，596;Chem.Mater.,2000，12,508;Colloid.Polym.Sc1.1974,252,464.)o
[0009]所述聚合物為聚苯乙烯-聚丙烯酰胺、聚-N-異丙基丙烯酰胺、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、聚丙烯酰胺中的一種或幾種的共聚物。
[0010]所述無機(jī)納米微球為二氧化娃、二氧化鈦、四氧化三鐵、氧化鐵、碳黑、稀土氧化物中的一種或幾種，或者其他無機(jī)納米材料。
[0011]所述含有功能基團(tuán)的單分散微球的粒徑范圍為100?500nm;濃度為lwt%?10wt% ;單分散微球的單分散性小于5%。
[0012]所述恒溫恒濕環(huán)境的條件為:溫度40°C?80°C，濕度40%?90% ;所述恒溫環(huán)境的條件為:溫度40°C?80°C。
[0013]本發(fā)明提出了利用微球自組裝過程中微球表面的功能基團(tuán)與金屬離子之間的絡(luò)合作用來消除裂紋的新思路。通過加入具有不同絡(luò)合常數(shù)的金屬離子，與微球共組裝得到高質(zhì)量無裂紋的光子晶體。本發(fā)明的創(chuàng)新性在于:利用金屬離子與微球表面功能基團(tuán)之間強(qiáng)的絡(luò)合作用力來抵消光子晶體組裝過程中基材對組裝單元的粘附力，在消除裂紋的同時又不影響制備得到的光子晶體的光學(xué)質(zhì)量，得到一種簡便的制備大面積無裂紋光子晶體的新思路。目前本發(fā)明中涉及到的研究方法尚未見文獻(xiàn)報道。
[0014]本發(fā)明通過對單分散微球表面進(jìn)行功能基團(tuán)修飾后，利用功能基團(tuán)與金屬離子之間形成配位鍵的絡(luò)合作用力，抵消掉由于基材的粘附力和微球收縮而產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力，制備得到大面積無裂紋的光子晶體。
[0015]有益效果
[0016]本發(fā)明在消除光子晶體裂紋的同時，又不影響制備得到的光子晶體的光學(xué)質(zhì)量；工藝簡單，節(jié)約了制備成本，且普適性強(qiáng)，具有良好的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0017]圖1a為本發(fā)明制備的無裂紋光子晶體的光學(xué)顯微鏡照片；圖1b和Ic均為制備的無裂紋光子晶體的掃描電鏡照片；圖1d為制備的無裂紋光子晶體的傅里葉變換譜圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
[0019]實施例1
[0020]單分散的聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸乳膠粒水溶液，乳液粒徑為10nm，濃度為Iwt %，溶劑為水;碳酸鋯氨作為鋯離子的原料，調(diào)節(jié)溶液濃度為0.1wt %，然后加入上述微球溶液中，超聲分散均勻，在40°C的溫度和40%的濕度條件下，隨著溶液的不斷加熱，碳酸鋯氨迅速分解出氨氣和二氧化碳，金屬離子游離出來并與羧基絡(luò)合，增加了乳膠粒之間的相互作用力，平衡了乳膠粒組裝過程中由于基材的粘附力，從而消除了裂紋。從圖1a中可以看到，在整個面積上，裂紋被消除；從圖1b和Ic可以看到，微球在微觀結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)規(guī)整的周期性排列;從圖1d可以看到，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)也證實了微觀上的周期性結(jié)構(gòu)。
[0021]實施例2
[0022]單分散的聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸乳膠粒水溶液，乳液粒徑為500nm，濃度為1wt %，溶劑為水;碳酸鋯氨作為鋯離子的原料，調(diào)節(jié)溶液濃度為5wt %，然后加入上述微球溶液中，超聲分散均勻，在80°C的溫度和80 %的濕度條件下，自組裝得到大面積無裂紋光子晶體。
[0023]實施例3
[0024]單分散的聚苯乙烯-聚丙烯酰胺乳膠粒水溶液，乳液粒徑為500nm，濃度為lwt%，溶劑為水;鹵化銅作為銅離子的原料，調(diào)節(jié)溶液濃度為5wt%，然后加入上述微球溶液中，超聲分散均勻，在60°C的溫度和60%的濕度條件下，自組裝得到大面積無裂紋光子晶體。
[0025]實施例4
[0026]單分散的聚苯乙烯-聚丙烯酰胺乳膠粒水溶液，乳液粒徑為lOOnm，濃度為10wt%，溶劑為水;鹵化銅作為銅離子的原料，調(diào)節(jié)溶液濃度為0.lwt%，然后加入上述微球溶液中，超聲分散均勻，在80°C的溫度和80%的濕度條件下，自組裝得到大面積無裂紋光子晶體。
[0027]實施例5
[0028]單分散的聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸乳膠粒水溶液，乳液粒徑為10nm，濃度為lwt%，溶劑為水；鹵化鋁作為鋁離子的原料，調(diào)節(jié)溶液濃度為0.1wt%，然后加入上述微球溶液中，超聲分散均勻，在80°C的溫度和80%的濕度條件下，自組裝得到大面積無裂紋光子晶體。
[0029]實施例6
[0030]單分散的聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸乳膠粒水溶液，乳液粒徑為500nm，濃度為10wt%，溶劑為水;鹵化鋁作為鋁離子的原料，調(diào)節(jié)溶液濃度為5wt%，然后加入上述微球溶液中，超聲分散均勻，在40 V的溫度和40 %的濕度條件下，自組裝得到大面積無裂紋光子晶體。
[0031 ] 實施例7
[0032]單分散的聚-N-異丙基丙烯酰胺乳膠粒水溶液，乳液粒徑為500nm，濃度為lwt%，溶劑為水;鹵化鈣作為鈣離子的原料，調(diào)節(jié)溶液濃度為0.lwt%，然后加入上述微球溶液中，超聲分散均勻，在60°C的溫度和60%的濕度條件下，自組裝得到大面積無裂紋光子晶體。
[0033]實施例8
[0034]單分散的聚-N-異丙基丙烯酰胺乳膠粒水溶液，乳液粒徑為lOOnm，濃度為10wt%，溶劑為水;鹵化鈣作為鈣離子的原料，調(diào)節(jié)溶液濃度為5wt %，然后加入上述微球溶液中，超聲分散均勻，在40°C的溫度和40%的濕度條件下，自組裝得到大面積無裂紋光子晶體。
[0035]實施例9
[0036]單分散的聚丙烯酰胺乳膠粒水溶液，乳液粒徑為lOOnm，濃度為lwt%，溶劑為水；鹵化鋅作為鋅離子的原料，調(diào)節(jié)溶液濃度為5wt%，然后加入上述微球溶液中，超聲分散均勻，在60°C的溫度和60%的濕度條件下，自組裝得到無裂紋光子晶體。
[0037]實施例10
[0038]單分散的聚丙烯酰胺乳膠粒水溶液，乳液粒徑為500nm，濃度為10wt%，溶劑為水；鹵化鋅作為鋅離子的原料，調(diào)節(jié)溶液濃度為0.lwt%，然后加入上述微球溶液中，超聲分散均勻，在80°C的溫度和80%的濕度條件下，自組裝得到大面積無裂紋光子晶體。
[0039]實施例11
[0040]單分散的聚-N-異丙基丙烯酰胺-二氧化硅核殼結(jié)構(gòu)乳膠粒水溶液，乳液粒徑為500nm，濃度為lwt%，溶劑為水；鹵化I丐作為I丐離子的原料，調(diào)節(jié)溶液濃度為0.lwt%，然后加入上述微球溶液中，超聲分散均勻，在60 V的溫度和60 %的濕度條件下，自組裝得到大面積無裂紋光子晶體。[0041 ] 實施例12
[0042]單分散的聚-N-異丙基丙烯酰胺-二氧化硅核殼結(jié)構(gòu)乳膠粒水溶液，乳液粒徑為lOOnm，濃度為1wt %，溶劑為水；鹵化1丐作為1丐離子的原料，調(diào)節(jié)溶液濃度為5wt %，然后加入上述微球溶液中，超聲分散均勻，在40°C的溫度和40%的濕度條件下，自組裝得到大面積無裂紋光子晶體。
[0043]實施例13
[0044]單分散的聚-N-異丙基丙烯酰胺-四氧化三鐵核殼結(jié)構(gòu)乳膠粒水溶液，乳液粒徑為lOOnm，濃度為lwt%，溶劑為水；鹵化銅作為銅離子的原料，調(diào)節(jié)溶液濃度為0.lwt%，然后加入上述微球溶液中，超聲分散均勻，在80 V的溫度和80 %的濕度條件下，自組裝得到大面積無裂紋光子晶體。
[0045]實施例14
[0046]單分散的聚-N-異丙基丙烯酰胺-四氧化三鐵核殼結(jié)構(gòu)乳膠粒水溶液，乳液粒徑為500nm，濃度為1wt %，溶劑為水；鹵化鎂作為鎂離子的原料，調(diào)節(jié)溶液濃度為5wt %，然后加入上述微球溶液中，超聲分散均勻，在40°C的溫度和40%的濕度條件下，自組裝得到大面積無裂紋光子晶體。
[0047]實施例15
[0048]單分散的聚丙烯酰胺-稀土氧化物核殼結(jié)構(gòu)乳膠粒水溶液，乳液粒徑為500nm，濃度為lwt%，溶劑為水;碳酸鋯銨作為鋯離子的原料，調(diào)節(jié)溶液濃度為0.lwt%，然后加入上述微球溶液中，超聲分散均勻，在60°C的溫度和60%的濕度條件下，自組裝得到大面積無裂紋光子晶體。
[0049]實施例16
[0050]單分散的聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸-稀土氧化物核殼結(jié)構(gòu)乳膠粒水溶液，乳液粒徑為10nm，濃度為1wt %，溶劑為水；鹵化I丐作為I丐離子的原料，調(diào)節(jié)溶液濃度為5wt%，然后加入上述微球溶液中，超聲分散均勻，在40°C的溫度和40%的濕度條件下，自組裝得到大面積無裂紋光子晶體。
[0051 ] 實施例17
[0052]單分散的聚苯乙烯-聚丙烯酰胺-二氧化鈦核殼結(jié)構(gòu)乳膠粒水溶液，乳液粒徑為500nm，濃度為Iwt%，溶劑為水;碳酸錯錢作為錯離子的原料，調(diào)節(jié)溶液濃度為0.lwt% ,然后加入上述微球溶液中，超聲分散均勻，在60°C的溫度和60%的濕度條件下，自組裝得到大面積無裂紋光子晶體。
[0053]實施例18
[0054]單分散的聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸-稀土氧化物核殼結(jié)構(gòu)乳膠粒水溶液，乳液粒徑為10nm，濃度為1wt %，溶劑為水;鹵化鈣作為鈣離子的原料，調(diào)節(jié)溶液濃度為5wt %，然后加入上述微球溶液中，超聲分散均勻，在80°C的溫度和80 %的濕度條件下，自組裝得到大面積無裂紋光子晶體。
[0055]實施例19
[0056]單分散的聚苯乙烯-聚丙烯酰胺-氧化鐵核殼結(jié)構(gòu)乳膠粒水溶液，乳液粒徑為500nm，濃度為Iwt%，溶劑為水;碳酸錯錢作為錯離子的原料，調(diào)節(jié)溶液濃度為0.lwt% ,然后加入上述微球溶液中，超聲分散均勻，在60°C的溫度和60%的濕度條件下，自組裝得到大面積無裂紋光子晶體。
[0057]實施例20
[0058]單分散的聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸-碳黑核殼結(jié)構(gòu)乳膠粒水溶液，乳液粒徑為lOOnm，濃度為1wt %，溶劑為水；鹵化1丐作為1丐離子的原料，調(diào)節(jié)溶液濃度為5wt %，然后加入上述微球溶液中，超聲分散均勻，在40°C的溫度和40%的濕度條件下，自組裝得到大面積無裂紋光子晶體。
【主權(quán)項】
1.一種大面積無裂紋光子晶體的制備方法，包括: 將金屬離子化合物配制成濃度0.1wt%?5?1%的水溶液，然后加入含有功能基團(tuán)的單分散微球溶液中，超聲分散均勻，在恒溫恒濕環(huán)境或恒溫環(huán)境條件下，自組裝得到大面積無裂紋光子晶體。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大面積無裂紋光子晶體的制備方法，其特征在于:所述金屬離子為 Zn2+、Al3+、Ca2+、Mg2+、Cu2+、Zr4+中的一種或幾種。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大面積無裂紋光子晶體的制備方法，其特征在于:所述功能基團(tuán)為羧基、氨基、羥基、羰基中的一種或幾種。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大面積無裂紋光子晶體的制備方法，其特征在于:所述含有功能基團(tuán)的單分散微球為聚合物微球、無機(jī)納米微球或無機(jī)納米微球為核、聚合物為殼的核殼結(jié)構(gòu)微球。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種大面積無裂紋光子晶體的制備方法，其特征在于:所述聚合物為聚苯乙烯-聚丙烯酰胺、聚-N-異丙基丙烯酰胺、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、聚丙烯酰胺中的一種或幾種的共聚物。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種大面積無裂紋光子晶體的制備方法，其特征在于:所述無機(jī)納米微球為二氧化硅、二氧化鈦、四氧化三鐵、氧化鐵、碳黑、稀土氧化物中的一種或幾種。7.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種大面積無裂紋光子晶體的制備方法，其特征在于:所述含有功能基團(tuán)的單分散微球的粒徑范圍為100?50011111;濃度為1的％?10被％;單分散微球的單分散性小于5%。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大面積無裂紋光子晶體的制備方法，其特征在于:所述恒溫恒濕環(huán)境的條件為:溫度40 V?80 V，濕度40 %?90 % ;所述恒溫環(huán)境的條件為:溫度40Γ?80Γο
【文檔編號】C30B7/14GK105887181SQ201610389101
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月2日
【發(fā)明人】石小迪
【申請人】東華大學(xué)