聚合物-納米SiO2復合乳液構筑的光子晶體及結構研究.pdf

1、光子晶體作為一種具有控制光子傳播特性的新型材料，已成為國內外材料學領域的研究熱點，被廣泛應用于光電集成、光纖通信、檢測、傳感器、太陽能等領域。目前制備光子晶體的方法主要為機械精密法、半導體光刻法以及膠體粒子組裝法。與機械精密法以及半導體制造法相比，膠體粒子組裝法具有成本低、方法簡單以及功能可調等優(yōu)點，在光子晶體制備和研究中得到廣泛應用。目前用于光子晶體制造的膠體粒子主要為聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和二氧化硅等硬粒子，因而制備的光子晶體性

2、脆，易開裂，力學強度差，而且制備時間長，工藝繁瑣。為提高光子晶體力學強度，本論文以聚合物軟粒子和二氧化硅硬粒子為主要研究對象，發(fā)揮有機-無機組分協(xié)同作用，制備出具有帶隙特征的、且有較高力學性能的光子晶體材料。為了克服傳統(tǒng)膠體粒子自組裝過程中產(chǎn)生的缺陷而使合成光子晶體膜結構色膜不如天然光子晶體鮮艷的缺點，本文在聚合物軟粒子和二氧化硅硬粒子的二元粒子自組裝過程中，摻入具有全波段光子吸收性能的炭黑納米顆粒參與自組裝，獲得具有高飽和度的光子晶體

3、結構色膜大面積制備技術。具體研究內容如下：
　　(1)為制備出具有力學強度的光子晶體球，通過高壓靜電噴射法，將聚合物/納米二氧化硅復合乳液分散到油性溶劑中，在表面活性劑作用下，形成穩(wěn)定的乳液液滴，隨著液滴中水分的蒸發(fā)，液滴中的聚合物乳膠粒子和納米二氧化硅粒子在毛細管力、靜電斥力以及界面張力驅動下，自組裝形成光子晶體球。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、光學顯微鏡和微區(qū)光譜測量系統(tǒng)等儀器進行表征和分析，結果表明，制備的光子晶體球具有良好

4、的力學性能，能經(jīng)受擠壓和彎曲，產(chǎn)生的變形具有可恢復性，易于加工和大面積應用。通過調節(jié)電場作用大小、溶劑特性、基材種類以及聚合物粒子表面電荷大小，可以獲得粒徑形貌可控的光子晶體球。溶劑密度越大，基材與乳液液滴接觸角越大，聚合物粒子表面電荷越強，光子晶體球的球形度越好。該技術為構筑具有力學性能、且形貌可控的大面積光子晶體球提供了新的思路。
　　(2)為提高聚合物/二氧化硅納米復合乳液制備的光子晶體結構色膜的色相飽和度，降低膜泛白性，將

5、具有全波段光子吸收性能的炭黑粒子引入乳液體系，采用聚合物/二氧化硅/炭黑納米復合乳液構筑高飽和度光子晶體結構色膜，并考察了炭黑對膠體晶體膜的結構、色相、光學特性等性能的影響。結果表明，摻雜炭黑后的光子晶體結構色膜色相飽和度顯著提高，隨著炭黑用量增加，膜的亮度下降；膜的色相飽和度與炭黑用量有關，隨著納米二氧化硅用量增加，反射譜譜峰位置出現(xiàn)紅移；通過調控納米二氧化硅和炭黑含量，可獲得光澤度和色度可調的光子晶體結構色膜大面積制備技術。通過炭黑

6、摻雜獲得亮度可調、色度可控的光子晶結構色彩膜制備技術，是國內外首次研究。
　　(3)為減少光子晶體結構色膜的制備缺陷，提高色相飽和度，本論文設計了溫度和濕度可控、可觀測復合乳液自組裝過程動力學的自組裝設備。采用SEM、EDX、LAB、光譜測試系統(tǒng)等方法對膠體晶體膜的形貌、光學性質、膜色度等進行了表征，結果表明，成膜溫度對復合乳液干燥速度影響大，溫度越高，干燥速度越快；隨著溫度升高，光子晶體結構色膜的反射譜譜峰位置藍移；成膜溫度過低