專利名稱：無裂紋光子晶體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無裂紋大面積光子晶體的制備方法，特別涉及無裂紋大面積蛋白石結(jié)構(gòu)及反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的制備方法。
背景技術(shù)：
光子晶體自1987年問世以來，由于其特殊的光調(diào)控性能，在光學(xué)、電子學(xué)，化學(xué)、 生物化學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。利用化學(xué)自組裝方法制備光子晶體由于成本低、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，吸引了科研工作者的研究興趣。但是，化學(xué)自組裝制備光子晶體過程中不可避免的裂紋等缺陷的產(chǎn)生，嚴(yán)重限制了光子晶體在實(shí)際中的應(yīng)用。為了解決這一問題， 科學(xué)家們已經(jīng)開展了一定的前期工作，如，采用模板輔助自組裝(C. J.Jin, N. P. Johnson, Nano Lett. 2005，5，洸46_2650)、剪切流誘導(dǎo)自組裝(T. Sawada, Adv. Funct. Mater. 2005， 25 ；Τ. Sawada, Langmuir 2009，13315)、在液體表面自組裝(Zentel R.，Chem. Mater. 2002， 14,4023-4025)、在自組裝前將膠體微球高溫預(yù)收縮(D. J. Norris, Appl. Phys. Lett. 2004， 84，3573-3575)、在自組裝過程中在膠體顆粒間隙中均勻填充恰當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)物質(zhì)(X. S. Zhao, J.Phys. Chem. C 2007,111,8538-8542；B. Hatton, L. Mishchenko, S. Davis, K. H. Sandhage, J. Aizenberg, PNAS, 107, 23,10355)等方法，在低堆積密度晶面避免了或者所有晶面完全避免了在制備光子晶體的過程中光子晶體裂紋的產(chǎn)生。但是，上述制備過程中存在以下幾點(diǎn)不足1.所制備的產(chǎn)品只能在某些低堆積密度晶面上避免裂紋的產(chǎn)生，而其它高堆積密度晶面仍有裂紋；2.制備成本高，過程繁瑣；3.制備過程污染嚴(yán)重，有不安全隱患；4.制備方法只適用于某種膠體粒子，不具有普適性。為了進(jìn)一步推動(dòng)光子晶體的實(shí)際應(yīng)用，更低成本、更簡單、安全、綠色的制備方法一直是科研工作者努力的方向。本發(fā)明利用柔性基材的柔性或者利用柔性基材的柔性與跟乳膠球共組裝的聚合物因填隙而減少乳膠球收縮協(xié)同作用，就可以徹底消除自組裝光子晶體過程中裂紋的產(chǎn)生。相關(guān)工作目前未見有文獻(xiàn)報(bào)道。 本發(fā)明的方法成本低廉、操作簡單、綠色環(huán)保、普適性好，對推動(dòng)光子晶體的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種成本低廉、操作簡單、綠色環(huán)保、普適性好的無裂紋大面積蛋白石結(jié)構(gòu)及反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的制備方法。本發(fā)明的無裂紋大面積光子晶體的制備是采用在親水柔性基材上進(jìn)行化學(xué)自組裝將單分散膠體微球超聲分散于水中，形成含有單分散膠體微球的乳液，其中，單分散膠體微球在乳液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 01 20wt% ；然后將親水柔性基材豎直放入上述乳液中， 利用在親水柔性基材表面形成的水的彎月面的毛細(xì)壓力使上述單分散膠體微球自組裝在上述親水柔性基材表面，自組裝成無裂紋大面積蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體(上述自組裝，優(yōu)選是在溫度為50 85°C、相對濕度為50% 85%的條件下進(jìn)行)。在制備上述乳液時(shí)，進(jìn)一步將聚合物單體、交聯(lián)劑及引發(fā)劑與單分散膠體微球共同超聲分散于水中，形成乳液，其中，乳液中的單分散膠體微球的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01 20wt%，聚合物單體與單分散膠體微球的質(zhì)量比為0.1 1 8 1，聚合物單體交聯(lián)劑引發(fā)劑的物質(zhì)的量比為1 0.01 0.001 1 0.06 0.008 ；然后將親水柔性基材豎直放入上述乳液中，使上述單分散膠體微球自組裝在親水柔性基材表面的同時(shí)，聚合物單體在單分散膠體微球間隙熱引發(fā)聚合成聚合物(上述自組裝及熱引發(fā)聚合，優(yōu)選是在溫度為50 85°C、相對濕度為50% 85%的條件下進(jìn)行)，從而得到以單分散膠體微球?yàn)楣羌埽趩畏稚⒛z體微球骨架的空隙中填充有聚合物的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體。該方法不但可以實(shí)現(xiàn)無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的制備，而且進(jìn)一步用溶劑溶解掉復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體中作為骨架的單分散膠體微球后，便可以得到無裂紋大面積的反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體。所述的親水柔性基材的厚度在0. 001 0. 07cm之間。所述的親水柔性基材是錫紙、鋁箔等金屬或合金薄片，或者是與水的靜態(tài)接觸角小于90°的塑料；所述的塑料優(yōu)先選自聚丙烯酸、聚碳酸酯、聚丙烯酰胺、聚酰亞胺、等離子體處理過的聚二甲基硅氧烷和等離子體處理過的聚氨酯等中的一種。所述的單分散膠體微球是已知市售產(chǎn)品，其粒徑是80 IlOOnm ；選自單分散聚苯乙烯膠體微球、聚甲基丙烯酸甲酯膠體微球、聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物膠體微球和二氧化硅膠體微球中的一種。所述的聚合物單體是已知市售產(chǎn)品，選自丙烯酰胺、異丙基丙烯酰胺和丙烯酸所組成的組中的至少一種。所述的聚合物選自聚丙烯酰胺、聚異丙基丙烯酰胺和聚丙烯酸所組成的組中的至少一種。所述的交聯(lián)劑為N-N’ -亞甲基雙丙烯酰胺。所述的引發(fā)劑是過硫酸鹽和/或偶氮二異丁腈；所述的過硫酸鹽是過硫酸鉀、過硫酸銨或它們的混合物等。所述的溶劑選自甲苯、四氫呋喃、1，4_ 二氧六環(huán)和氫氟酸中的一種。本發(fā)明的制備方法得到的無裂紋大面積蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體的光子帶隙在 200 2500nm之間；所述的無裂紋大面積蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體是聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)和二氧化硅蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體中的一種。本發(fā)明的制備方法得到的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的光子帶隙在 250 ^OOnm之間；所述的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體是以單分散膠體微球?yàn)楣羌?，在單分散膠體微球骨架的空隙中均勻充分填充有聚合物；所述的單分散膠體微球是已知市售產(chǎn)品，其粒徑是80 IlOOnm ；選自單分散聚苯乙烯膠體微球、聚甲基丙烯酸甲酯膠體微球、聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物膠體微球和二氧化硅膠體微球中的一種。所述的聚合物單體是已知市售產(chǎn)品，選自丙烯酰胺、異丙基丙烯酰胺和丙烯酸所組成的組中的至少一種。本發(fā)明的制備方法得到的無裂紋大面積反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體的光子帶隙在 150 2500nm之間；所述的無裂紋大面積反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體是聚丙烯酰胺、聚異丙基丙烯酰胺和聚丙烯酸反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體所組成的組份中的至少一種。
本發(fā)明所選用的光子晶體的支撐基底為親水柔性基底，通過單分散膠體微球在其上面自組裝或者單分散膠體微球與水溶性聚合物單體在親水柔性基底上共組裝、聚合，即可得到無裂紋大面積蛋白石光子晶體。進(jìn)一步用溶劑將單分散膠體微球溶解掉，可得到無裂紋大面積反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體。本發(fā)明所涉及制備方法成本低廉、操作簡單、綠色環(huán)保、普適性好，所制備光子晶體可以實(shí)際應(yīng)用于高性能光學(xué)器件、化學(xué)、生物化學(xué)檢測等領(lǐng)域。


圖1.本發(fā)明實(shí)施例6的(a)粒徑大約為310nm的單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物膠體微球與異丙基丙烯酰胺、N-N'-亞甲基雙丙烯酰胺在鋁箔上自組裝、聚合生長的無裂紋光子晶體的低倍數(shù)電鏡照片；(b)在普通玻璃基材上單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物膠體微球與異丙基丙烯酰胺、N-N'-亞甲基雙丙烯酰胺自組裝、聚合生長的存在裂紋的光子晶體的低倍數(shù)電鏡照片。圖2.本發(fā)明實(shí)施例6的粒徑大約為310nm單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物膠體微球與異丙基丙烯酰胺、N-N'-亞甲基雙丙烯酰胺在鋁箔上自組裝、聚合生長的無裂紋光子晶體的高倍數(shù)電鏡照片。圖3.本發(fā)明實(shí)施例6的粒徑大約為310nm單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物膠體微球與異丙基丙烯酰胺、N-N'-亞甲基雙丙烯酰胺在鋁箔或普通玻璃上自組裝、聚合生長的光子晶體的反射光譜。明顯可以看出，由于裂紋的消除，裂紋帶來的散射作用消失，反射光譜的半峰寬減少，表現(xiàn)出更好的光學(xué)性能。圖4.本發(fā)明實(shí)施例6的聚異丙基丙烯酰胺反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的電鏡照片； (a)聚異丙基丙烯酰胺反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的高倍數(shù)電鏡照片；(b)聚異丙基丙烯酰胺反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的低倍數(shù)電鏡照片。圖5.本發(fā)明實(shí)施例6的聚異丙基丙烯酰胺無裂紋反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的反射光譜，曲線a是在普通玻璃基底上；曲線b是在鋁箔柔性基底上。從圖中可以看出，由于裂紋的消除，裂紋帶來的散射作用消失，反射光譜的半峰寬減少，表現(xiàn)出更好的光學(xué)性能。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1.將粒徑為SOnm的單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯_丙烯酸)聚合物膠體微球超聲分散于水中，形成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 01 %的乳液，然后將厚度為0. OOlcm的鋁箔豎直放入該乳液中，在溫度為50°C，相對濕度為50%的條件下，利用在鋁箔表面形成的水的彎月面的毛細(xì)壓力使上述單分散膠體微球組裝在上述鋁箔表面，自組裝成無裂紋大面積蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其光子帶隙位于200nm。實(shí)施例2.將粒徑為IlOOnm的單分散聚苯乙烯膠體微球超聲分散于水中，形成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 20%的乳液，然后將厚度為0. 07cm的鋁箔豎直放入該乳液中，在溫度為85°C，相對濕度為 85%的條件下，利用在鋁箔表面形成的水的彎月面的毛細(xì)壓力使上述單分散膠體微球組裝在上述鋁箔表面，自組裝成無裂紋大面積蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其光子帶隙位于2500nm。
實(shí)施例3.將粒徑為300nm的單分散二氧化硅膠體微球超聲分散于水中，形成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0. 5%的乳液，然后將厚度為0. 0075cm的聚酰亞胺薄膜豎直放入該乳液中，在溫度為60°C， 相對濕度為60%的條件下，利用在聚酰亞胺薄膜表面形成的水的彎月面的毛細(xì)壓力使上述單分散膠體微球組裝在上述聚酰亞胺薄膜表面，自組裝成無裂紋大面積蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其光子帶隙位于800nm。實(shí)施例4.將粒徑為400nm的單分散聚甲基丙烯酸甲酯微球超聲分散于水中，形成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 8 %的乳液，然后將厚度為0. 008cm的鋁鎂合金薄片豎直放入該乳液中，在溫度為 80°C，相對濕度為80%的條件下，利用在鋁鎂合金薄片表面形成的水的彎月面的毛細(xì)壓力使上述單分散膠體微球組裝在上述鋁鎂合金薄片表面，自組裝成無裂紋大面積蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其光子帶隙位于lOOOnm。實(shí)施例5.將含有粒徑為IlOOnm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物膠體微球乳液、丙烯酸、N-N’-亞甲基雙丙烯酰胺交聯(lián)劑及過硫酸銨和過硫酸鉀混合物引發(fā)劑超聲分散于水中，形成混合物乳液，其中，丙烯酸與單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物膠體微球的質(zhì)量比為0.1 1，丙烯酸N-N’-亞甲基雙丙烯酰胺過硫酸銨和過硫酸鉀混合物的摩爾比為1 0.01 0.001;然后將厚度為0. 04cm的鋁硅合金片豎直放入該混合物乳液中，在溫度為50°C，相對濕度為70 %的條件下，利用在鋁硅合金片表面形成的水的彎月面的毛細(xì)壓力使上述單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物膠體微球組裝在上述鋁硅合片表面，同時(shí)，丙烯酸在單分散聚 (苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物膠體微球間隙熱引發(fā)聚合成聚丙烯酸，從而得到以單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物膠體微球?yàn)楣羌埽趩畏稚⒕?(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物膠體微球骨架的空隙中均勻填充有聚丙烯酸的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其光子禁帶位于^K)0nm。而且進(jìn)一步將上述得到的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體浸泡于1，4_ 二氧六環(huán)溶劑中，用1，4_ 二氧六環(huán)溶解掉復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體中作為骨架的單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物膠體微球后，便可以得到聚丙烯酸無裂紋大面積的反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體， 其光子禁帶位于2500nm。實(shí)施例6.將含有粒徑大約為310nm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 2%的單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物膠體微球乳液、異丙基丙烯酰胺、N-N'-亞甲基雙丙烯酰胺及過硫酸銨引發(fā)劑超聲分散于水中，形成混合物乳液，其中，異丙基丙烯酰胺與單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物膠體微球的質(zhì)量比為1.5 1，異丙基丙烯酰胺N-N’ -亞甲基雙丙烯酰胺過硫酸銨的摩爾比為1 0.03 0.002;然后將厚度為 0. 0015cm的鋁箔豎直放入該混合物乳液中，在溫度為80°C，相對濕度為50%的條件下， 利用在鋁箔表面形成的水的彎月面的毛細(xì)壓力使上述單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物膠體微球組裝在上述鋁箔表面，同時(shí)，異丙基丙烯酰胺在單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物膠體微球間隙熱引發(fā)聚合成聚異丙基丙烯酰胺，從而得到以單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物膠體微球?yàn)楣羌?，在單分散?苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物膠體微球骨架的空隙中填充有聚異丙基丙烯酰胺的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，對其結(jié)構(gòu)，我們利用日本電子公司的場發(fā)射掃描式電子顯微鏡(儀器型號是JSM-6700F)進(jìn)行了表征，結(jié)果如圖1(a)掃描電鏡照片所示，在所觀察的整個(gè)區(qū)域無裂紋出現(xiàn)，而在相同條件下，在普通硬玻璃基材上，存在大量的裂紋，如圖1(b)所示。該蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體在微觀上具有優(yōu)異的周期結(jié)構(gòu)，如圖2所示。進(jìn)一步用美國海洋光學(xué)公司亞洲分公司的光纖光譜儀(儀器型號=Ocean Optic HR 4000 & OTR-256)表征了復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的光子帶隙，該復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的光子帶隙位于800nm，如圖3所示。進(jìn)一步將上述得到的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體浸泡于1，4_ 二氧六環(huán)溶劑中，用1，4_ 二氧六環(huán)溶解掉復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體中作為骨架的單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物膠體微球后，得到無裂紋的聚異丙基丙烯酰胺反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，如圖4(b)掃描電鏡照片所示，而圖 4 (a)可看出其良好的周期結(jié)構(gòu)，其光子禁帶位于628nm，如圖5所示。實(shí)施例7.將含有粒徑為IlOOnm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 01 %的單分散聚苯乙烯膠體微球乳液、丙烯酰胺、N-N’ -亞甲基雙丙烯酰胺及偶氮二異丁腈引發(fā)劑超聲分散于水中，形成混合物乳液，其中，丙烯酰胺與單分散聚苯乙烯膠體微球的質(zhì)量比為8 1，丙烯酰胺N-N’-亞甲基雙丙烯酰胺偶氮二異丁腈的摩爾比為1 0.06 0.008;然后將厚度為0.07cm的聚碳酸酯薄膜豎直放入該混合物乳液中，在溫度為85°C，相對濕度為65%的條件下，利用在聚碳酸酯薄膜表面形成的水的彎月面的毛細(xì)壓力使上述單分散聚苯乙烯膠體微球組裝在上述聚碳酸酯薄膜表面，同時(shí)，丙烯酰胺在單分散聚苯乙烯膠體微球間隙熱引發(fā)聚合成聚丙烯酰胺，從而得到以單分散聚苯乙烯膠體微球?yàn)楣羌?，在單分散聚苯乙烯膠體微球骨架的空隙中填充有聚丙烯酰胺的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其光子禁帶位于 2600nmo而且進(jìn)一步將上述得到的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體浸泡于甲苯溶劑中，用甲苯溶解掉復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體中作為骨架的單分散聚苯乙烯膠體微球后，便可以得到聚丙烯酰胺無裂紋大面積的反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其光子禁帶位于2500nm。實(shí)施例8.將含有粒徑為SOnm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 5%的單分散聚甲基丙烯酸甲酯聚合物膠體微球乳液、丙烯酸、N-N’ -亞甲基雙丙烯酰胺及過硫酸鈉引發(fā)劑超聲分散于水中，形成混合物乳液，其中，丙烯酸與單分散聚甲基丙烯酸甲酯聚合物膠體微球的質(zhì)量比為2 1，丙烯酸N-N，-亞甲基雙丙烯酰胺過硫酸鈉的摩爾比為1 0.02 0.006;然后將厚度為0. 007cm的聚丙烯酸薄膜豎直放入該混合物乳液中，在溫度為60°C，相對濕度為85%的條件下，利用在聚丙烯酸薄膜表面形成的水的彎月面的毛細(xì)壓力使上述單分散聚甲基丙烯酸甲酯聚合物膠體微球組裝在上述聚丙烯酸薄膜表面，同時(shí)，丙烯酸在單分散聚甲基丙烯酸甲酯聚合物膠體微球間隙熱引發(fā)聚合成聚丙烯酸，從而得到以單分散聚甲基丙烯酸甲酯聚合物膠體微球?yàn)楣羌?，在單分散聚甲基丙烯酸甲酯聚合物膠體微球骨架的空隙中填充有聚丙烯酸聚合物的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其光子禁帶位于250nm。而且進(jìn)一步將上述得到的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體浸泡于四氫呋喃溶劑中，用四氫呋喃溶解掉復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體中作為骨架的單分散聚甲基丙烯酸甲酯聚合物膠體微球后，便可以得到聚丙烯酸無裂紋大面積的反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其光子禁帶位于 150nmo實(shí)施例9.將含有粒徑為IlOOnm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 2 %的單分散二氧化硅膠體微球乳液、異丙基丙烯酰胺、N-N’ -亞甲基雙丙烯酰胺及過硫酸鉀引發(fā)劑超聲分散于水中，形成混合物乳液，其中，異丙基丙烯酰胺與單分散二氧化硅膠體微球的質(zhì)量比為8 1，異丙基丙烯酰胺N-N’ -亞甲基雙丙烯酰胺過硫酸鉀的摩爾比為1 0.06 0.008;然后將厚度為 0. Olcm的聚丙烯酰胺薄膜豎直放入該混合物乳液中，在溫度為60°C，相對濕度為70%的條件下，利用在聚丙烯酰胺薄膜表面形成的水的彎月面的毛細(xì)壓力使上述單分散二氧化硅膠體微球組裝在上述聚丙烯酰胺薄膜表面，同時(shí)，異丙基丙烯酰胺在單分散二氧化硅膠體微球間隙熱引發(fā)聚合成聚異丙基丙烯酰胺，從而得到以單分散二氧化硅膠體微球?yàn)楣羌?，在單分散聚二氧化硅膠體微球骨架的空隙中填充有聚異丙基丙烯酰胺的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其光子禁帶位于2600nm。而且進(jìn)一步將上述得到的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體浸泡于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% HF水溶液中，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% HF水溶液溶解掉復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體中作為骨架的單分散聚二氧化硅膠體微球后，便可以得到聚異丙基丙烯酰胺無裂紋大面積的反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其光子禁帶位于2500nm。實(shí)施例10.將含有粒徑為SOnm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 01 %的單分散聚苯乙烯膠體微球乳液、丙烯酰胺、N-N’-亞甲基雙丙烯酰胺及過硫酸銨引發(fā)劑超聲分散于水中，形成混合物乳液，其中， 丙烯酰胺與單分散聚苯乙烯膠體微球的質(zhì)量比為3 1，丙烯酰胺N-N’-亞甲基雙丙烯酰胺偶氮二異丁腈的摩爾比為1 0.05 0. 007 ；然后將厚度為0. 0(Mcm的鋁鋅合金片豎直放入該混合物乳液中，在溫度為70°C，相對濕度為60%的條件下，利用在鋁鋅合金片表面形成的水的彎月面的毛細(xì)壓力使上述單分散聚苯乙烯膠體微球組裝在上述鋁鋅合金片表面，同時(shí)，丙烯酰胺在單分散聚苯乙烯膠體微球間隙熱引發(fā)聚合成聚丙烯酰胺，從而得到以單分散聚苯乙烯膠體微球?yàn)楣羌?，在單分散聚苯乙烯膠體微球骨架的空隙中填充有聚丙烯酰胺的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其光子禁帶位于250nm。而且進(jìn)一步將上述得到的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體浸泡于四氫呋喃溶劑中，用四氫呋喃溶解掉復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體中作為骨架的單分散聚苯乙烯膠體微球后，便可以得到聚丙烯酰胺無裂紋大面積的反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其光子帶隙位于150nm。實(shí)施例11.將含有粒徑為320nm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的單分散聚甲基丙烯酸甲酯聚合物膠體微球乳液、丙烯酸、N-N’ -亞甲基雙丙烯酰胺及過硫酸鈉引發(fā)劑超聲分散于水中，形成混合物乳液，其中，丙烯酸與單分散聚甲基丙烯酸甲酯聚合物膠體微球的質(zhì)量比為6 1，丙烯酸N-N’ -亞甲基雙丙烯酰胺過硫酸鈉的摩爾比為1 0.04 0.008;然后將厚度為 0. 07cm的經(jīng)氧等離子體清洗過的聚胺酯薄膜豎直放入該混合物乳液中，在溫度為50°C，相對濕度為60%的條件下，利用在經(jīng)氧等離子體清洗過的聚胺酯薄膜表面形成的水的彎月面的毛細(xì)壓力使上述單分散聚甲基丙烯酸甲酯聚合物膠體微球組裝在上述經(jīng)氧等離子體清洗過的聚胺酯薄膜表面，同時(shí)，丙烯酸在單分散聚甲基丙烯酸甲酯聚合物膠體微球間隙熱引發(fā)聚合成聚丙烯酸，從而得到以單分散聚甲基丙烯酸甲酯聚合物膠體微球?yàn)楣羌?，在單分散聚甲基丙烯酸甲脂聚合物膠體微球骨架的空隙中填充有聚丙烯酸聚合物的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其光子禁帶位于850nm。而且進(jìn)一步將上述得到的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體浸泡于甲苯溶劑中，用甲苯溶解掉復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體中作為骨架的單分散聚甲基丙烯酸甲酯聚合物膠體微球后，便可以得到聚丙烯酸無裂紋大面積的反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其光子禁帶位于700nm。實(shí)施例12.將含有粒徑為SOnm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 %的單分散二氧化硅膠體微球乳液、異丙基丙烯酰胺、N-N’ -亞甲基雙丙烯酰胺及過硫酸鉀引發(fā)劑超聲分散于水中，形成混合物乳液，其中，異丙基丙烯酰胺與單分散二氧化硅膠體微球的質(zhì)量比為4 1，異丙基丙烯酰胺N-N’ -亞甲基雙丙烯酰胺過硫酸鉀的摩爾比為1 0.06 0.008;然后將厚度為 0. 0075cm的聚酰亞胺薄膜豎直放入該混合物乳液中，在溫度為65°C，相對濕度為60%的條件下，利用在聚酰亞胺薄膜表面形成的水的彎月面的毛細(xì)壓力使上述單分散二氧化硅膠體微球組裝在上述聚酰亞胺薄膜表面，同時(shí)，異丙基丙烯酰胺在單分散二氧化硅膠體微球間隙熱引發(fā)聚合成聚異丙基丙烯酰胺，從而得到以單分散二氧化硅膠體微球?yàn)楣羌?，在單分散聚二氧化硅膠體微球骨架的空隙中填充有聚異丙基丙烯酰胺的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其光子禁帶位于250nm。而且進(jìn)一步將上述得到的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體浸泡于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% HF水溶液中，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% HF水溶液溶解掉復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體中作為骨架的單分散聚二氧化硅膠體微球后，便可以得到聚異丙基丙烯酰胺無裂紋大面積的反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其光子禁帶位于150nm。實(shí)施例13.將含有粒徑為320nm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的單分散聚苯乙烯膠體微球乳液、丙烯酰胺、N-N’-亞甲基雙丙烯酰胺及過硫酸銨引發(fā)劑超聲分散于水中，形成混合物乳液，其中，丙烯酰胺與單分散聚苯乙烯膠體微球的質(zhì)量比為2 1，丙烯酰胺N-N’-亞甲基雙丙烯酰胺偶氮二異丁腈的摩爾比為1 0.01 0.001 ；然后將厚度為0.0(Mcm的聚碳酸酯薄膜豎直放入該混合物乳液中，在溫度為70°C，相對濕度為80%的條件下，利用在聚碳酸酯薄膜表面形成的水的彎月面的毛細(xì)壓力使上述單分散聚苯乙烯膠體微球組裝在上述聚碳酸酯薄膜表面，同時(shí)，丙烯酰胺在單分散聚苯乙烯膠體微球間隙熱引發(fā)聚合成聚丙烯酰胺，從而得到以單分散聚苯乙烯膠體微球?yàn)楣羌?，在單分散聚苯乙烯膠體微球骨架的空隙中填充有聚丙烯酰胺的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其光子禁帶位于850nm。而且進(jìn)一步將上述得到的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體浸泡于四氫呋喃溶劑中，用四氫呋喃溶解掉復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體中作為骨架的單分散聚苯乙烯膠體微球后，便可以得到聚丙烯酰胺無裂紋大面積的反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其光子帶隙位于700nm。實(shí)施例14.將含有粒徑為SOnm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 01 %的單分散聚苯乙烯膠體微球乳液、丙烯酰胺、異丙基丙烯酰胺、N-N’ -亞甲基雙丙烯酰胺及過硫酸銨引發(fā)劑超聲分散于水中，形成混合物乳液，其中，丙烯酰胺與異丙基丙烯酰胺的質(zhì)量總量與單分散聚苯乙烯膠體微球質(zhì)量比為2 1，丙烯酰胺與異丙基丙烯酰胺的總量N-N’ -亞甲基雙丙烯酰胺偶氮二異丁腈的摩爾比為1 0.01 0.001 ；然后將厚度為0.0(Mcm的聚碳酸酯薄膜豎直放入該混合物乳液中，在溫度為80°C，相對濕度為70%的條件下，利用在聚碳酸酯薄膜表面形成的水的彎月面的毛細(xì)壓力使上述單分散聚苯乙烯膠體微球組裝在上述聚碳酸酯薄膜表面， 同時(shí)，丙烯酰胺和異丙基丙烯酰胺在單分散聚苯乙烯膠體微球間隙熱引發(fā)聚合成聚丙烯酰胺-聚異丙基丙烯酰胺，從而得到以單分散聚苯乙烯膠體微球?yàn)楣羌埽趩畏稚⒕郾揭蚁┠z體微球骨架的空隙中填充有聚丙烯酰胺-聚異丙基丙烯酰胺的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其光子禁帶位于250nm。而且進(jìn)一步將上述得到的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體浸泡于1，4_ 二氧六環(huán)溶劑中，用1，4_ 二氧六環(huán)溶解掉復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體中作為骨架的單分散聚苯乙烯膠體微球后，便可以得到聚丙烯酰胺-聚異丙基丙烯酰胺無裂紋大面積的反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其光子帶隙位于150nm。實(shí)施例15.將含有粒徑為IlOOnm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的單分散聚苯乙烯膠體微球乳液、丙烯酰胺、異丙基丙烯酰胺、丙烯酸、N-N’ -亞甲基雙丙烯酰胺及過硫酸銨引發(fā)劑超聲分散于水中，形成混合物乳液，其中，丙烯酰胺、異丙基丙烯酰胺和丙烯酸的質(zhì)量總量與單分散聚苯乙烯膠體微球質(zhì)量比為2 1，丙烯酰胺、異丙基丙烯酰胺和丙烯酸的總量N-N’-亞甲基雙丙烯酰胺過硫酸銨的摩爾比為1 0.01 0.001 ；然后將厚度為0.005cm的聚碳酸酯薄膜豎直放入該混合物乳液中，在溫度為85°C，相對濕度為85%的條件下，利用在聚碳酸酯薄膜表面形成的水的彎月面的毛細(xì)壓力使上述單分散聚苯乙烯膠體微球組裝在上述聚碳酸酯薄膜表面，同時(shí)，丙烯酰胺、異丙基丙烯酰胺和丙烯酸在單分散聚苯乙烯膠體微球間隙熱引發(fā)聚合成聚丙烯酰胺-聚異丙基丙烯酰胺-聚丙烯酸，從而得到以單分散聚苯乙烯膠體微球?yàn)楣羌?，在單分散聚苯乙烯膠體微球骨架的空隙中填充有聚丙烯酰胺-聚異丙基丙烯酰胺-聚丙烯酸的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其光子禁帶位于2600nm。 而且進(jìn)一步將上述得到的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體浸泡于1，4_ 二氧六環(huán)溶劑中，用1，4_ 二氧六環(huán)溶解掉復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體中作為骨架的單分散聚苯乙烯膠體微球后，便可以得到聚丙烯酰胺-聚異丙基丙烯酰胺-聚丙烯酸無裂紋大面積的反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其光子帶隙位于2500nm。實(shí)施例16.將含有粒徑為IlOOnm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的單分散聚苯乙烯膠體微球乳液、丙烯酰胺、丙烯酸、N-N’ -亞甲基雙丙烯酰胺及過硫酸鉀、偶氮二異丁腈混合引發(fā)劑超聲分散于水中，形成混合物乳液，其中，丙烯酰胺與丙烯酸的質(zhì)量總量與單分散聚苯乙烯膠體微球的質(zhì)量比為2 1，丙烯酰胺與丙烯酸的總量N-N’ -亞甲基雙丙烯酰胺過硫酸鉀和偶氮二異丁腈的總量的摩爾比為1 0.01 0.001 ；然后將厚度為0.005cm的聚碳酸酯薄膜豎直放入該混合物乳液中，在溫度為50°C，相對濕度為70%的條件下，利用在聚碳酸酯薄膜表面形成的水的彎月面的毛細(xì)壓力使上述單分散聚苯乙烯膠體微球組裝在上述聚碳酸酯薄膜表面，同時(shí)，丙烯酰胺和丙烯酸在單分散聚苯乙烯膠體微球間隙熱引發(fā)聚合成聚丙烯酰胺-聚丙烯酸，從而得到以單分散聚苯乙烯膠體微球?yàn)楣羌?，在單分散聚苯乙烯膠體微球骨架的空隙中填充有聚丙烯酰胺-聚丙烯酸的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體， 其光子禁帶位于沈⑷！!!!!。而且進(jìn)一步將上述得到的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體浸泡于1，4_ 二氧六環(huán)溶劑中，用1，4_ 二氧六環(huán)溶解掉復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體中作為骨架的單分散聚苯乙烯膠體微球后，便可以得到聚丙烯酰胺-聚丙烯酸無裂紋大面積的反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其光子帶隙位于2500nm。
實(shí)施例17.將含有粒徑為SOnm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 4%的單分散聚苯乙烯膠體微球乳液、異丙基丙烯酰胺、丙烯酸、N-N’ -亞甲基雙丙烯酰胺及過硫酸鉀引發(fā)劑超聲分散于水中，形成混合物乳液，其中，異丙基丙烯酰胺與丙烯酸的質(zhì)量總量與單分散聚苯乙烯膠體微球的質(zhì)量比為2 1，異丙基丙烯酰胺與丙烯酸的總量N-N’ -亞甲基雙丙烯酰胺過硫酸鉀和過硫酸鉀的總量的摩爾比為1 0.01 0.001 ；然后將厚度為0.005cm的聚碳酸酯薄膜豎直放入該混合物乳液中，在溫度為50°C，相對濕度為85%的條件下，利用在聚碳酸酯薄膜表面形成的水的彎月面的毛細(xì)壓力使上述單分散聚苯乙烯膠體微球組裝在上述聚碳酸酯薄膜表面，同時(shí)，異丙基丙烯酰胺和丙烯酸在單分散聚苯乙烯膠體微球間隙熱引發(fā)聚合成聚異丙基丙烯酰胺-聚丙烯酸，從而得到以單分散聚苯乙烯膠體微球?yàn)楣羌?，在單分散聚苯乙烯膠體微球骨架的空隙中填充有聚異丙基丙烯酰胺-聚丙烯酸的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其光子禁帶位于250nm。而且進(jìn)一步將上述得到的無裂紋大面積復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體浸泡于1，4_ 二氧六環(huán)溶劑中，用1，4_ 二氧六環(huán)溶解掉復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體中作為骨架的單分散聚苯乙烯膠體微球后，便可以得到聚異丙基丙烯酰胺-聚丙烯酸無裂紋大面積的反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其光子帶隙位于150nm。
權(quán)利要求
1.一種無裂紋光子晶體的制備方法，其是采用在親水柔性基材上進(jìn)行化學(xué)自組裝，其特征是將單分散膠體微球超聲分散于水中，形成含有單分散膠體微球的乳液，其中，單分散膠體微球在乳液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 01 20wt% ；然后將親水柔性基材豎直放入上述乳液中，利用在親水柔性基材表面形成的水的彎月面的毛細(xì)壓力使上述單分散膠體微球組裝在上述親水柔性基材表面，自組裝成無裂紋蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無裂紋光子晶體的制備方法，其特征是所述的乳液中還含有聚合物單體、交聯(lián)劑及引發(fā)劑，該乳液是將聚合物單體、交聯(lián)劑及引發(fā)劑與單分散膠體微球共同超聲分散于水中形成的，其中，該乳液中的單分散膠體微球的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01 20wt%，聚合物單體與單分散膠體微球的質(zhì)量比為0.1 1 8 1，聚合物單體交聯(lián)劑引發(fā)劑的摩爾比為1 0.01 0.001 1 0.06 0.008 ；使上述單分散膠體微球自組裝在親水柔性基材表面的同時(shí)，聚合物單體在單分散膠體微球間隙熱引發(fā)聚合成聚合物，得到以單分散膠體微球?yàn)楣羌埽趩畏稚⒛z體微球骨架的空隙中填充有聚合物的無裂紋復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無裂紋光子晶體的制備方法，其特征是用溶劑溶解掉復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體中作為骨架的單分散膠體微球后，得到無裂紋反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無裂紋光子晶體的制備方法，其特征是所述的親水柔性基材的厚度在0. 001 0. 07cm之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無裂紋光子晶體的制備方法，其特征是所述的親水柔性基材是鋁箔、合金薄片或者是與水的靜態(tài)接觸角小于90°的塑料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的無裂紋光子晶體的制備方法，其特征是所述的塑料選自聚丙烯酸、聚碳酸酯、聚丙烯酰胺、聚酰亞胺、等離子體處理過的聚二甲基硅氧烷和等離子體處理過的聚氨酯中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的無裂紋光子晶體的制備方法，其特征是所述的單分散膠體微球的粒徑是80 IlOOnm ；選自單分散聚苯乙烯膠體微球、聚甲基丙烯酸甲酯膠體微球、聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物膠體微球和二氧化硅膠體微球中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無裂紋光子晶體的制備方法，其特征是所述的聚合物單體選自丙烯酰胺、異丙基丙烯酰胺和丙烯酸所組成的組中的至少一種；所述的聚合物選自聚丙烯酰胺、聚異丙基丙烯酰胺和聚丙烯酸所組成的組中的至少一種；所述的交聯(lián)劑為N-N’ -亞甲基雙丙烯酰胺；所述的引發(fā)劑是過硫酸鹽和/或偶氮二異丁腈。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無裂紋光子晶體的制備方法，其特征是所述的溶劑選自甲苯、四氫呋喃、1，4- 二氧六環(huán)和氫氟酸中的一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無裂紋光子晶體的制備方法，其特征是所述的無裂紋蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的光子帶隙在200 2500nm之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無裂紋光子晶體的制備方法，其特征是所述的無裂紋復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的光子帶隙在250 ^OOnm之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無裂紋光子晶體的制備方法，其特征是所述的無裂紋反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的光子帶隙在150 2500nm之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及無裂紋大面積光子晶體的制備方法，特別涉及無裂紋大面積蛋白石結(jié)構(gòu)及反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的制備方法。本發(fā)明所選用的光子晶體的支撐基底為親水柔性基底，通過單分散膠體微球在其上面自組裝或者單分散膠體微球與水溶性聚合物單體在親水柔性基底上共組裝、聚合，即可得到無裂紋大面積蛋白石結(jié)構(gòu)或復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體。進(jìn)一步用溶劑將復(fù)合蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體中的單分散膠體微球溶解掉，可得到無裂紋大面積反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體。本發(fā)明所涉及制備方法成本低廉、操作簡單、綠色環(huán)保、普適性好，所制備光子晶體可以實(shí)際應(yīng)用于高性能光學(xué)器件、化學(xué)、生物化學(xué)檢測等領(lǐng)域。
文檔編號B01J13/00GK102433588SQ201010299208
公開日2012年5月2日 申請日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月29日
發(fā)明者周金明, 宋延林, 王京霞 申請人:中國科學(xué)院化學(xué)研究所