專利名稱：具有各向異性結(jié)構(gòu)的光子晶體薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于膠體光子晶體膜的制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及具有各向異性結(jié)構(gòu)的光子晶體薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
光子晶體材料是由介電常數(shù)不同的材料按周期性長程有序排列而得到的，該材料具有光子禁帶和光子限域的特性，可以有效的控制光子傳輸，被稱為“光學(xué)半導(dǎo)體”。其中， 具有完全禁帶的光子晶體材料可以完全抑制具有特定頻率光子的傳輸，被認(rèn)為下一代信息和能源技術(shù)的新型材料，從而引起了人們的廣泛關(guān)注。目前，制備完全禁帶光子晶體主要有兩種方法一是利用自上而下的微加工法， 用光刻，電子束刻蝕，全息照相等微加工技術(shù)，將具有高介電常數(shù)的材料加工成三維有序結(jié)構(gòu)；二是利用自下而上的犧牲模板法，向PS或SiA的Opal型模板空隙中填充高介電常數(shù)材料后再去除模板，從而得到具有反Opal結(jié)構(gòu)的完全禁帶光子晶體。然而，以上兩種方法都需要造價昂貴的高介電常數(shù)材料，且工藝較為復(fù)雜，從而增加了得到完全禁帶光子晶體的成本。為了解決制備完全帶隙光子晶體的成本居高不下的問題，科學(xué)家們提出各向異性的結(jié)構(gòu)可以消除禁帶衰減，因此，使用低介電常數(shù)的材料來制備完全禁帶光子晶體成為可能。美國Liddell研究小組，曾將具有“蘑菇頭”和“啞鈴”形狀的膠乳微粒通過回流組裝的方法組裝成膠體晶體，然而，膠乳微粒在最終的晶體結(jié)構(gòu)中為隨機(jī)取向，無法獲得真正的具有各項異性結(jié)構(gòu)的光子晶體。本發(fā)明正是利用這一科學(xué)原理，制備合成了具有“蘑菇頭” 形狀的兩親性低介電常數(shù)的聚合物膠乳微球，并通過回流組裝方法得到了具有各向異性結(jié)構(gòu)的長程有序的光子晶體薄膜。該方法簡便易行，材料價格低廉，為制備完全禁帶光子晶體提供了一種有效的途徑。同時這種新型光子晶體有望應(yīng)用于新型的光電材料和光學(xué)器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種方法簡便易行，不需要特殊裝置和溫度、濕度限制， 可以有效、快速的在“氣-液”界面回流組裝制備具有各向異性結(jié)構(gòu)的光子晶體薄膜的方法。本發(fā)明的目的之二是提供一種采用批量乳液聚合，通過適當(dāng)調(diào)整所加單體和乳化劑的含量，通過一步法制備可用于制備具有各向異性結(jié)構(gòu)的光子晶體薄膜的具有“蘑菇頭” 形狀的單分散膠乳微粒，并且該方法可以控制微球的形狀。本發(fā)明的具有各向異性結(jié)構(gòu)的光子晶體薄膜的制備方法包括以下步驟(1)在常溫常壓下，將具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒均勻分散在去離子水和醇的混合溶劑中，得到含所述具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒的溶液，并使含所述膠乳微粒的溶液的組成為具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒的含量為2 10wt% (優(yōu)選為)，醇含量為40 70wt% (優(yōu)選為60wt% )，余量為去離子水(優(yōu)選為36wt%)；
(2)將基底放入直徑可為6厘米的容器(如玻璃器皿)中，向容器中加入去離子水，使去離子水面剛剛沒過基底的上表面；將步驟(1)配好的10 30 μ L(優(yōu)選為14 20 μ L)含膠乳微粒的溶液滴于容器中的水面上；具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒在水面上迅速鋪展，組裝30 120秒后，向去離子水中滴加0 0. 3mL(優(yōu)選為0. 2mL)表面活性劑(濃度為lg/L)；待去離子水和醇揮發(fā)后，具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微?？勺杂沙两涤诨咨?，得到具有六方緊密堆積結(jié)構(gòu)，且組裝單元統(tǒng)一取向的具有各向異性結(jié)構(gòu)的單層光子晶體薄膜；或用鑷子夾住基底，并將基底從水中輕輕撈出，待基底上的去離子水和醇揮發(fā)后，得到具有六方緊密堆積結(jié)構(gòu)，且組裝單元統(tǒng)一取向的具有各向異性結(jié)構(gòu)的單層光子晶體薄膜；(3)采用層層組裝的方法，以步驟O)中制得的光子晶體薄膜作為容器中的基底， 重復(fù)步驟O)，可得到具有多層結(jié)構(gòu)的三維有序的具有各向異性結(jié)構(gòu)的光子晶體薄膜。所述的光子晶體薄膜是由單分散的具有“蘑菇頭”形狀的膠乳微粒緊密堆砌而成。所述的具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒是單體1、單體2、單體3和單體4的共聚物。所述的單體1是苯乙烯、甲基苯乙烯或它們的混合物。所述的單體2是甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、醋酸乙烯酯中的一種或它們之間的任意混合物。所述的單體3是丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯氰中的一種或它們之間的任意混合物。所述單體4是二乙烯基苯(簡稱DVB)。步驟( 所述的基底可選自親水化處理(須用標(biāo)準(zhǔn)鉻酸洗液浸泡、濃硫酸與雙氧水的體積比為3 1的混合溶液煮沸或用質(zhì)量濃度為2 5%的堿液清洗)過的普通玻璃、 導(dǎo)電玻璃、石英玻璃、云母、銅網(wǎng)等中的一種。步驟(1)所述的含膠乳微粒的溶液中的具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒的含量為%，去離子水為36wt %，醇含量為60wt %。所述的醇為可與水以任意比例互溶的液態(tài)醇，如選自甲醇、乙醇或它們的混合物等。步驟⑵所述的滴于容器中的水面上的含膠乳微球的溶液的量為14 20 μ L ；所滴加的表面活性劑的量為0. 2mL。所述的表面活性劑是十二烷基苯磺酸鈉或十二烷基磺酸鈉。本發(fā)明的可用于制備上述具有各向異性結(jié)構(gòu)的光子晶體薄膜的具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒的合成方法是通過乳液聚合法進(jìn)行制備將單體1、單體2和單體3均勻混合分散在含有pH緩沖劑和乳化劑的去離子水溶液中，將所得到的乳液體系在轉(zhuǎn)速為250 SOOrpm (優(yōu)選350rpm)下攪拌均勻混合，恒溫水浴加熱至溫度為60 80°C (優(yōu)選為70°C )，加入引發(fā)劑總量約為1/2的引發(fā)劑使反應(yīng)開始，待反應(yīng)1. 5 2小時后(優(yōu)選為1. 5小時)，向溶液中滴加交聯(lián)劑單體4并加入引發(fā)劑總量1/4的引發(fā)劑，繼續(xù)反應(yīng)2 3小時后(優(yōu)選為2小時)，向溶液中再次滴加單體4和引發(fā)劑總量1/4的引發(fā)劑，繼續(xù)反應(yīng)2 5小時后(優(yōu)選為2.5小時)反應(yīng)結(jié)束，得到具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒。所述的單體1、單體2、單體3和單體4的總重量是5 100克；單體1占單體1、 單體2、單體3和單體4總重量的84 90wt %，單體2占3 4wt %，單體3占3 4wt %， 單體4占2 8wt% ；其中第一次加入的單體4是加入單體4總量的50 IOOwt %，第二次加入的單體 4是加入單體4總量的0 50wt% ；所述的引發(fā)劑總用量相當(dāng)于單體1、單體2、單體3和單體4總量的0. 1 Iwt% (優(yōu)選為 0. 25wt% )0所述的單體1是苯乙烯、甲基苯乙烯或它們的混合物。所述的單體2是甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、醋酸乙烯酯中的一種或它們之間的任意混合物。所述的單體3是丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯氰中的一種或它們之間的任意混合物。 所述單體4是二乙烯基苯。所述的pH緩沖劑在乳液體系中的濃度為0. 1 Iwt%，乳化劑在乳液體系中的濃度為0 0. 01wt%。所述的pH緩沖劑是碳酸氫鈉、碳酸氫鉀或碳酸氫銨。所述的乳化劑是十二烷基苯磺酸鈉或十二烷基磺酸鈉。所述的引發(fā)劑是以水溶液的形式引入反應(yīng)體系中，可以是過硫酸鉀、過硫酸鈉或過硫酸銨。體系的反應(yīng)總時間為5. 5 10小時，優(yōu)選時間為6小時。為保證具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒的形成，應(yīng)嚴(yán)格控制加入交聯(lián)劑單體 4的時間，第一次加入為反應(yīng)開始1. 5 2小時后加入，第二次加入為反應(yīng)開始3. 5 5小時后加入，在加入交聯(lián)劑單體4后要加入適量的引發(fā)劑。另外，為保證微球的單分散性，要嚴(yán)格控制攪拌速度和升溫的時間，以避免二次成核的出現(xiàn)。制備具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒不需要特殊工藝過程，只是由于少量交聯(lián)劑單體4的加入，由于所述單體1 單體4之間的聚合速度和親疏水性質(zhì)的差異導(dǎo)致了異質(zhì)結(jié)構(gòu)的膠乳微粒生成，并最終通過相分離實現(xiàn)了具有“蘑菇頭”形狀的兩親性單分散膠乳微粒；所得具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒的形貌可通過加入交聯(lián)劑單體4或者乳化劑的含量來控制。本發(fā)明中的具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒在制備完全禁帶光子晶體中具有廣泛的應(yīng)用。本發(fā)明通過在“氣-液”界面回流組裝的方法，得到了具有各向異性結(jié)構(gòu)的光子晶體薄膜，該光子晶體薄膜由單分散的具有“蘑菇頭”形狀的膠乳微粒緊密堆砌而成。由于該膠乳微粒具有兩親性，因此當(dāng)膠乳微粒在“氣-液”界面自組裝時產(chǎn)生了統(tǒng)一的取向，從而使所述光子晶體薄膜得到了長程有序的排列結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出了良好的光學(xué)性質(zhì)。這種新型結(jié)構(gòu)的具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒光子晶體薄膜為制備完全禁帶的光子晶體提供了一個有效的方法，并有望應(yīng)用于新型光學(xué)器件，光電材料等領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明實施例1中合成的典型的膠乳微粒的TEM照片，該膠乳微粒具有良好的單分散性并且具有類似“蘑菇頭”的形狀。照片由日本電子公司型號為JEM-2010的投射電子顯微鏡在200千伏電壓下拍攝。圖2為本發(fā)明實施例8中制備的典型的具有各向異性結(jié)構(gòu)的光子晶體薄膜的照片，圖中標(biāo)尺為500nm。照片由日本電子公司型號為FE-SEM-6700F的掃描電子顯微鏡在3 千伏電壓下拍攝。圖3為本發(fā)明實施例8中制備的具有各向異性結(jié)構(gòu)的光子晶體薄膜的反射光譜圖；其中(a)為不同層數(shù)(1-3層)的光子晶體薄膜的反射光譜，(b)為具有3層的光子晶體薄膜在不同入射角測得的反射光譜。反射光譜數(shù)據(jù)由美國海洋光學(xué)公司型號為HR-4000 的紫外可見光纖光譜儀測得。
具體實施例方式實施例1.具有“蘑菇頭”形狀的單分散聚合物膠乳微粒的制備將單體混合物苯乙烯(9. 5g)，甲基丙烯酸甲酯(0. 5g)，丙烯酸(0. 5g)加入到含有 PH緩沖劑碳酸氫銨(0. 25g)和乳化劑十二烷基苯磺酸鈉(0. 0035g)的去離子水(50mL)中， 將所得到的乳液體系在轉(zhuǎn)速為350rpm下攪拌混合，并用恒溫水浴加熱至70°C，加入IOmL過硫酸銨的水溶液(0. 25g過硫酸銨溶解于IOmL去離子水中所得)中的5mL使反應(yīng)開始進(jìn)行； 反應(yīng)1. 5小時后加入二乙烯基苯0. 4克，并加入上述IOmL過硫酸銨的水溶液剩余的5mL中的2. 5mL過硫酸銨的水溶液；再反應(yīng)2小時后，再次加入二乙烯基苯0. 2克和剩余的2. 5mL 過硫酸銨的水溶液，反應(yīng)約2. 5小時后，反應(yīng)全部結(jié)束，得到含有具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒的乳液，從而得到具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒，膠乳微粒的TEM照片如圖1所示。實施例2 具有“蘑菇頭”形狀的單分散聚合物膠乳微粒的制備將單體混合物苯乙烯(38g)，甲基丙烯酸丁酯Qg)，甲基丙烯酸Og)加入到含有 PH緩沖劑碳酸氫鈉(Ig)和乳化劑十二烷基磺酸鈉(0.015g)的去離子水QOOmL)中，將所得到的乳液體系在轉(zhuǎn)速為600rpm下攪拌混合，并用恒溫水浴加熱至75。C，加入50mL過硫酸鈉的水溶液(Ig過硫酸鈉溶解于50mL去離子水中所得)中的25mL使反應(yīng)開始進(jìn)行；反應(yīng)2小時后加入二乙烯基苯1. 5克，并加入上述50mL過硫酸鈉的水溶液剩余的25mL中的 12. 5mL ；再反應(yīng)3小時后，再次加入二乙烯基苯1克和剩余的12. 5mL過硫酸鈉的水溶液，反應(yīng)約5小時后，反應(yīng)全部結(jié)束，得到含有具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒的乳液，從而得到具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒。實施例3 具有“蘑菇頭”形狀的單分散聚合物膠乳微粒的制備將單體混合物甲基苯乙烯(5g)，甲基丙烯酸丁酯(0.25g)，丙烯酰胺(0.25g)加入到含有PH緩沖劑碳酸氫鉀(0. 125g)和乳化劑十二烷基苯磺酸鈉(0.002g)的去離子水 (25mL)中，將所得到的乳液體系在轉(zhuǎn)速為250rpm下攪拌混合，并用恒溫水浴加熱至65°C， 加入5mL過硫酸鉀的水溶液(0. 125g過硫酸鉀溶解于5mL去離子水中所得)中的2. 5mL使反應(yīng)開始進(jìn)行；反應(yīng)1. 5小時后加入二乙烯基苯0. 3克，并加入上述5mL過硫酸鉀的水溶液剩余的2. 5mL中的1. 25mL過硫酸鉀的水溶液；再反應(yīng)2小時后，再次加入剩余的1. 25mL過硫酸鉀的水溶液，反應(yīng)約2. 5小時后，反應(yīng)全部結(jié)束，得到含有具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒的乳液，從而得到具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒。實施例4.具有“蘑菇頭”形狀的單分散聚合物膠乳微粒的制備將單體混合物苯乙烯(19g)，醋酸乙烯酯(Ig)，丙烯氰(Ig)加入到含有PH緩沖劑碳酸氫銨(0. 5g)和乳化劑十二烷基苯磺酸鈉(0.007g)的去離子水(50mL)中，將所得到的乳液體系在轉(zhuǎn)速為400rpm下攪拌混合，并用恒溫水浴加熱至70°C，加入20mL過硫酸銨的水溶液(0. 5g過硫酸銨溶解于20mL去離子水中所得)中的IOmL使反應(yīng)開始進(jìn)行；反應(yīng)2小時后加入二乙烯基苯0. 6克，并加入上述20mL過硫酸銨的水溶液剩余的IOmL中的5mL過硫酸銨水溶液；再反應(yīng)3小時后，再次加入二乙烯基苯0. 6克和剩余的5mL過硫酸銨的水溶液，反應(yīng)約3. 5小時后，反應(yīng)全部結(jié)束，得到含有具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒的乳液，從而得到具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒。實施例5.具有“蘑菇頭”形狀的單分散聚合物膠乳微粒的制備將單體混合物苯乙烯(90g)，甲基丙烯酸甲酯(5g)，丙烯酸(5g)加入到含有pH緩沖劑碳酸氫鈉和乳化劑十二烷基苯磺酸鈉(0.035g)的去離子水Q50mL)中，將所得到的乳液體系在轉(zhuǎn)速為SOOrpm下攪拌混合，并用恒溫水浴加熱至75°C，加入IOOmL過硫酸銨的水溶液(2. 5g過硫酸銨溶解于IOOmL去離子水中所得)中的50mL使反應(yīng)開始進(jìn)行； 反應(yīng)2小時后加入二乙烯基苯4克，并加入上述IOOmL過硫酸鉀的水溶液剩余的50mL中的 25mL過硫酸鈉水溶液；再反應(yīng)3小時后，再次加入二乙烯基苯2克和剩余的25mL過硫酸鈉的水溶液，反應(yīng)約5小時后，反應(yīng)全部結(jié)束，得到含有具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒的乳液，從而得到具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒。實施例6.具有“蘑菇頭”形狀的單分散聚合物膠乳微粒的制備將單體混合物苯乙烯(9. 5g)，甲基苯乙烯(9. 5g)，甲基丙烯酸甲酯(0. 5g)，甲基丙烯酸丁酯(0. 5g)，丙烯酸(0. 5g)和丙烯氰(0. 5g)加入到含有pH緩沖劑碳酸氫銨 (0. 55g)和乳化劑十二烷基苯磺酸鈉(0.0075g)的去離子水(IlOmL)中，將所得到的乳液體系在轉(zhuǎn)速為500rpm下攪拌混合，并用恒溫水浴加熱至75°C，加入20mL過硫酸銨的水溶液(0. 5g過硫酸銨溶解于20mL去離子水中所得)中的IOmL使反應(yīng)開始進(jìn)行；反應(yīng)2小時后加入二乙烯基苯0. 8克，并加入上述20mL過硫酸銨的水溶液剩余的IOmL中的5mL過硫酸銨的水溶液；再反應(yīng)2. 5小時后，再次加入二乙烯基苯0. 4克和剩余的5mL過硫酸銨的水溶液，反應(yīng)約3小時后，反應(yīng)全部結(jié)束，得到含有具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒的乳液，從而得到具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒。實施例7.具有“蘑菇頭”形狀的單分散聚合物膠乳微粒的制備將單體混合物苯乙烯(30g)，甲基苯乙烯(IOg)，醋酸乙烯酯(0.4g)，甲基丙烯酸丁酯(2g)，甲基丙烯酸(2g)和丙烯酰胺(Ig)加入到含有PH緩沖劑碳酸氫鈉(1. 2g)和乳化劑十二烷基苯磺酸鈉(0.015g)的去離子水QOOmL)中，將所得到的乳液體系在轉(zhuǎn)速為 600rpm下攪拌混合，并用恒溫水浴加熱至75°C，加入40mL過硫酸鈉的水溶液(Ig過硫酸鈉溶解于20mL去離子水中所得)中的20mL使反應(yīng)開始進(jìn)行；反應(yīng)2小時后加入二乙烯基苯 1. 2克，并加入上述40mL過硫酸鈉的水溶液剩余的20mL中的IOmL過硫酸銨的水溶液；再反應(yīng)3小時后，再次加入二乙烯基苯1. 2克和剩余的IOmL過硫酸銨的水溶液，反應(yīng)約4小時后，反應(yīng)全部結(jié)束，得到含有具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒的乳液，從而得到具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒。實施例8.具有各向異性結(jié)構(gòu)的光子晶體薄膜的制備(1)在常溫常壓下，將實施例1得到的含有具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒 (Ig)的乳液均勻分散在去離子水(Ig)和乙醇(3g)的混合溶劑中，得到含所述膠乳微粒的溶液；(2)取一直徑為6厘米的表面皿為容器，在表面皿中心底部放入一片1厘米見方的普通玻璃片或者石英玻璃片(用濃硫酸雙氧水的體積比為3 1的混合溶液煮沸清洗)。向表面皿中加入去離子水，使去離子水面剛剛沒過所述玻璃片的上表面；用微量進(jìn)樣器取14μ L步驟(1)所配置的含所述膠乳微粒的溶液，將其慢慢滴加于表面皿中的水面上。 之后，具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒在水面上迅速鋪展，組裝30秒后，向去離子水面滴加0.2mL十二烷基苯磺酸鈉的水溶液(濃度lg/L)；待去離子水和乙醇揮發(fā)后，可在所述玻璃片基底上得到具有六方緊密堆積結(jié)構(gòu)，且組裝單元統(tǒng)一取向的具有各向異性結(jié)構(gòu)的單層光子晶體薄膜。具有各向異性結(jié)構(gòu)的光子晶體薄膜的照片如圖2所示，圖中標(biāo)尺為 500nmo以上述方法所制備得到的光子晶體薄膜替換步驟( 所述玻璃片作為基底，采用層層組裝的方法，重復(fù)上述步驟O)，可以得到具有多層結(jié)構(gòu)的三維有序的具有各向異性結(jié)構(gòu)的光子晶體薄膜。用此種方法制備的光子晶體薄膜具有良好的光學(xué)性質(zhì)，圖3a為用層層組裝的方法制得的層數(shù)為1-3層的光子晶體薄膜的反射光譜圖，圖北為3層光子晶體薄膜在入射角為30度，60度和90度所測得的反射光譜圖。實施例9.具有各向異性結(jié)構(gòu)的光子晶體薄膜的制備(1)在常溫常壓下，將實施例3得到的含有具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒 (Ig)的乳液均勻分散在去離子水Og)和甲醇Og)的混合溶劑中，得到含所述膠乳微粒的溶液；(2)取一直徑為6厘米的表面皿為容器，在表面皿中心底部放入一片1厘米見方的導(dǎo)電玻璃片(用質(zhì)量濃度為2 5%的堿液超聲清洗)。向表面皿中加入去離子水，使去離子水面剛剛沒過導(dǎo)電玻璃片的上表面；用微量進(jìn)樣器取30yL步驟(1)所配置的含所述膠乳微粒的溶液，將其慢慢滴加于表面皿中的水面上。之后，具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒在水面上迅速鋪展，組裝60秒后，向去離子水面滴加0. 3mL十二烷基磺酸鈉的水溶液(濃度lg/L)，待去離子水和甲醇揮發(fā)后，可在所述玻璃片基底上得到具有六方緊密堆積結(jié)構(gòu)，且組裝單元統(tǒng)一取向的具有各向異性結(jié)構(gòu)的單層光子晶體薄膜。以上述方法所制備得到的光子晶體薄膜替換步驟( 所述導(dǎo)電玻璃片作為基底， 采用層層組裝的方法，重復(fù)上述步驟O)，可以得到具有多層結(jié)構(gòu)的三維有序的具有各向異性結(jié)構(gòu)的光子晶體薄膜。實施例10.具有各向異性結(jié)構(gòu)的光子晶體薄膜的制備(1)在常溫常壓下，將實施例4得到的含有具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒 (Ig)的乳液均勻分散在甲醇(Ig)和乙醇(Ig)溶劑中，得到含所述膠乳微粒的溶液；(2)取一直徑為6厘米的表面皿為容器，用微量進(jìn)樣器取10 μ L步驟(1)所配置的含所述膠乳微粒的溶液，將其慢慢滴加于表面皿中的水面上。之后，具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒在水面上迅速鋪展，組裝120秒后，在水面上形成一層薄膜，用鑷子夾住云母或銅網(wǎng)(用標(biāo)準(zhǔn)鉻酸洗液浸泡清洗)深入水下后輕輕撈起，待云母或銅網(wǎng)基底上醇和去離子水揮發(fā)后，可在所述云母或銅網(wǎng)基底上得到具有六方緊密堆積結(jié)構(gòu)，且組裝單元統(tǒng)一取向的具有各向異性結(jié)構(gòu)的單層光子晶體薄膜。 以上述方法所制備得到的光子晶體薄膜替換步驟( 所述基底，采用層層組裝的方法，重復(fù)上述步驟0)2遍，可以得到具有3層結(jié)構(gòu)的三維有序的具有各向異性結(jié)構(gòu)的光子晶體薄膜。
權(quán)利要求
1.一種具有各向異性結(jié)構(gòu)的光子晶體薄膜的制備方法，其特征是，該方法包括以下步驟(1)在常溫常壓下，將具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒均勻分散在去離子水和醇的混合溶劑中，得到含所述具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒的溶液，并使含所述膠乳微粒的溶液的組成為具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒的含量為2 10wt%，醇含量為 40 70Wt%，余量為去離子水；(2)將基底放入容器中，向容器中加入去離子水，使去離子水面剛剛沒過基底的上表面；將步驟(1)配好的10 30 μ L的含膠乳微粒的溶液滴于容器中的水面上；具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒在水面上迅速鋪展，組裝30 120秒后，向去離子水中滴加濃度為lg/L的0 0. 3mL表面活性劑；待去離子水和醇揮發(fā)后，具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒自由沉降于基底上，得到具有六方緊密堆積結(jié)構(gòu)，且組裝單元統(tǒng)一取向的具有各向異性結(jié)構(gòu)的單層光子晶體薄膜；或用鑷子夾住基底，并將基底從水中輕輕撈出，待基底上的去離子水和醇揮發(fā)后，得到具有六方緊密堆積結(jié)構(gòu)，且組裝單元統(tǒng)一取向的具有各向異性結(jié)構(gòu)的單層光子晶體薄膜； 所述的光子晶體薄膜是由單分散的具有“蘑菇頭”形狀的膠乳微粒緊密堆砌而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是采用層層組裝的方法，以步驟O)中制得的光子晶體薄膜作為容器中的基底，重復(fù)步驟O)，得到具有多層結(jié)構(gòu)的三維有序的具有各向異性結(jié)構(gòu)的光子晶體薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是步驟(1)所述的含膠乳微粒的溶液中的具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒的含量為#t%，去離子水為36wt%，醇含量為60wt%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征是所述的具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒是單體1、單體2、單體3和單體4的共聚物；所述的單體1是苯乙烯、甲基苯乙烯或它們的混合物；所述的單體2是甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、醋酸乙烯酯中的一種或它們之間的任意混合物；所述的單體3是丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯氰中的一種或它們之間的任意混合物；所述單體4是二乙烯基苯。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征是所述的醇是甲醇、乙醇或它們的混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的表面活性劑是十二烷基苯磺酸鈉或十二烷基磺酸鈉。
7.一種具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒的合成方法是通過乳液聚合法進(jìn)行制備將單體1、單體2和單體3均勻混合分散在含有pH緩沖劑和乳化劑的去離子水溶液中，將所得到的乳液體系在轉(zhuǎn)速為250 SOOrpm下攪拌均勻混合，恒溫水浴加熱至溫度為 60 80°C，加入引發(fā)劑總量為1/2的引發(fā)劑使反應(yīng)開始，待反應(yīng)1. 5 2小時后，向溶液中滴加交聯(lián)劑單體4并加入引發(fā)劑總量1/4的引發(fā)劑，繼續(xù)反應(yīng)2 3小時后，向溶液中再次滴加單體4和引發(fā)劑總量1/4的引發(fā)劑，繼續(xù)反應(yīng)2 5小時后反應(yīng)結(jié)束，得到具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒；其中單體1、單體2、單體3和單體4的總重量是5 100克；單體1占單體1、單體2、 單體3和單體4總重量的84 90wt %，單體2占3 4wt %，單體3占3 4wt %，單體4 占2 8wt% ；其中第一次加入的單體4是加入單體4總量的50 IOOwt %，第二次加入的單體4是加入單體4總量的0 50wt% ；所述的引發(fā)劑總用量相當(dāng)于單體1、單體2、單體3和單體4總量的0. 1 ； 所述的單體1是苯乙烯、甲基苯乙烯或它們的混合物；所述的單體2是甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、醋酸乙烯酯中的一種或它們之間的任意混合物；所述的單體3是丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯氰中的一種或它們之間的任意混合物；所述單體4是二乙烯基苯。所述的PH緩沖劑在乳液體系中的濃度為0. 1 Iwt%，乳化劑在乳液體系中的濃度為 0 0. 01wt%。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征是所述的pH緩沖劑是碳酸氫鈉、碳酸氫鉀或碳酸氫銨；所述的乳化劑是十二烷基苯磺酸鈉或十二烷基磺酸鈉；所述的引發(fā)劑是以水溶液的形式引入反應(yīng)體系中，其是過硫酸鉀、過硫酸鈉、過硫酸銨。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征是所述的向溶液中滴加交聯(lián)劑單體4并加入引發(fā)劑總量1/4的引發(fā)劑是待反應(yīng)1. 5小時后，繼續(xù)反應(yīng)2小時，向溶液中再次滴加單體4 和引發(fā)劑總量1/4的引發(fā)劑，繼續(xù)反應(yīng)2. 5小時反應(yīng)結(jié)束。
10.一種用于制備權(quán)利要求1所述的具有各向異性結(jié)構(gòu)的光子晶體薄膜的具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒是由權(quán)利要求7 9的方法制得的。
全文摘要
本發(fā)明屬于膠體光子晶體膜的制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及具有各向異性結(jié)構(gòu)的光子晶體薄膜的制備方法。本發(fā)明通過在“氣-液”界面回流組裝的方法，得到了具有各向異性結(jié)構(gòu)的光子晶體薄膜，該光子晶體薄膜由單分散的具有“蘑菇頭”形狀的膠乳微粒緊密堆砌而成。由于該具有“蘑菇頭”形狀的膠乳微粒具有兩親性，因此當(dāng)所述膠乳微粒在“氣-液”界面自組裝時產(chǎn)生了統(tǒng)一的取向，從而使所述光子晶體薄膜得到了長程有序的排列結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出了良好的光學(xué)性質(zhì)。這種新型結(jié)構(gòu)的具有“蘑菇頭”形狀的單分散膠乳微粒光子晶體為制備完全禁帶的光子晶體提供了一個有效的方法，并有望應(yīng)用于新型光學(xué)器件，光電材料等領(lǐng)域。
文檔編號C08F2/26GK102199302SQ20101013088
公開日2011年9月28日 申請日期2010年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月22日
發(fā)明者宋延林, 徐亮, 江雷, 王京霞 申請人:中國科學(xué)院化學(xué)研究所