響應(yīng)性一維光子晶體有序結(jié)構(gòu)薄膜的構(gòu)筑及應(yīng)用研究.pdf

1、光子晶體是由具有不同折射率的介質(zhì)材料周期性排列而成的晶體材料，因其特殊的周期結(jié)構(gòu)從而可以對(duì)特定頻率的光進(jìn)行調(diào)控，其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了光學(xué)器件、電子器件、催化、傳感、顯示、檢測等眾多領(lǐng)域。作為結(jié)構(gòu)最為簡單的光子晶體材料，一維光子晶體由于其制備方法簡便，光子禁帶調(diào)制簡易，近些年來受到了人們的廣泛關(guān)注。多功能響應(yīng)性的一維光子晶體在各種物理化學(xué)及生物傳感器方面展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。在一維光子晶體的制備中，純無機(jī)材料體系的制備以及有了長足的發(fā)展，但是

2、有機(jī)無機(jī)雜化體系以及純有機(jī)聚合物體系的一維光子晶體以及非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)一維光子晶體的制備仍然是研究工作的難點(diǎn)。同時(shí)，以一維光子晶體為基礎(chǔ)的刺激響應(yīng)性檢測以及多重響應(yīng)性檢測工作仍鮮有報(bào)道，基于一維光子晶體的新型能源器件更是研究的空白。本論文的工作正是基于這一研究背景展開的。
　　本論文利用一維光子晶體的優(yōu)勢，選擇導(dǎo)電聚合物制備各類刺激響應(yīng)性一維光子晶體，充分探究了一維光子晶體在多種結(jié)構(gòu)制備，多重響應(yīng)性能力以及新型超級(jí)電容器領(lǐng)域的應(yīng)用，主要

3、工作分為以下幾個(gè)方面:
　　1、利用旋涂的方法制備PANI/TiO2有機(jī)/無機(jī)雜化體系的一維光子晶體結(jié)構(gòu)用于酸堿氣體響應(yīng)性檢測。由于EB態(tài)的PANI在HCl和NH3作用下能夠發(fā)生摻雜和脫摻雜的可逆反應(yīng)，并且引起PANI折射率發(fā)生變化，使得光子晶體的光子禁帶發(fā)生明顯的變化，導(dǎo)致一維光子晶體的結(jié)構(gòu)色發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)酸堿氣體的裸眼可視化監(jiān)測。同時(shí)，紫外光刻蝕制備的表面圖案能夠有效提高氣體檢測的可視化程度和實(shí)用便捷性。該實(shí)驗(yàn)開創(chuàng)性的將導(dǎo)電

4、聚合物用于制備有機(jī)/無機(jī)雜化體系一維光子晶體，探究了單純由折射率變化引起的禁帶位置移動(dòng)，并且將TiO2的光催化降解性能與光子晶體圖案化手段相結(jié)合，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)制備響應(yīng)性一維光子晶體等提供了基礎(chǔ)。
　　2、構(gòu)筑了非傳統(tǒng)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的一維光子晶體，包括在傾斜一定角度的基底上旋涂PANI/SiO2構(gòu)筑了具有梯度結(jié)構(gòu)的一維光子晶體以及將單層導(dǎo)電聚合物PANI以單層形式摻雜組裝在SiO2/GO一維光子晶體薄膜的頂部雙層結(jié)構(gòu)中形成PANI缺陷態(tài)S

5、iO2/GO一維光子晶體結(jié)構(gòu)。這樣可以制備出具有多個(gè)光子禁帶的彩虹色一維光子晶體薄膜，將這樣的梯度結(jié)構(gòu)薄膜用于酸堿氣體響應(yīng)性實(shí)驗(yàn)可以得到彩虹色漸變的響應(yīng)性結(jié)果，并且用高光譜對(duì)該一維光子晶體以及響應(yīng)性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了實(shí)時(shí)表征，同時(shí)，探究了缺陷態(tài)一維光子晶體特征峰和酸堿氣體響應(yīng)性的關(guān)系并且還研究了缺陷層厚度與光子禁帶半峰寬及反射光譜強(qiáng)度之間的關(guān)系。該實(shí)驗(yàn)開創(chuàng)性的制備了梯度結(jié)構(gòu)一維光子晶體和導(dǎo)電聚合物缺陷態(tài)一維光子晶體，拓展了非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)一維光子晶體

6、的制備手段和應(yīng)用范圍，并且將高光譜成像系統(tǒng)用于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表征，顯示了其在化學(xué)和生物彩色傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
　　3、利用旋涂的方法制備了TiO2/P(AA-bis-NiPAAm)一維光子晶體，探究了其pH/溫度雙重響應(yīng)性質(zhì)。同時(shí)，我們還探究了在響應(yīng)性過程中，一維光子晶體反射峰強(qiáng)度變化和反射波長變化之間的關(guān)系，以及pH和溫度響應(yīng)性之間的協(xié)同作用。該實(shí)驗(yàn)開創(chuàng)性的利用P(AA-bis-NiPAAm)水凝膠制備出具有雙重響應(yīng)性能力的一維

7、光子晶體，將響應(yīng)性一維光子晶體的研究領(lǐng)域從以往的單一相應(yīng)拓展到多重相應(yīng)領(lǐng)域，并且探究了其在生物化學(xué)傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
　　4、通過旋涂法制備了具有pH/溫度雙重響應(yīng)性能力的TiO2/P(AA-GO-NiPAAm)一維光子晶體，并且利用了GO在近紅外光的照射下的發(fā)熱性能使得P(AA-GO-NiPAAm)水凝膠層發(fā)生收縮，形成明顯的圖案。不僅探討了雙重響應(yīng)性能力還闡明了聚合物一維光子晶體的膨脹收縮響應(yīng)與浸潤性響應(yīng)的關(guān)系，制備出了浸

8、潤性可控的圖案化一維光子晶體。該實(shí)驗(yàn)開創(chuàng)性的利用P(AA-GO-NiPAAm)水凝膠制備出具有雙重響應(yīng)性能力的浸潤性可調(diào)控的圖案化一維光子晶體，探究了pH、溫度、NiPAAm含量以及浸潤性能力之間的相互作用關(guān)系，將響應(yīng)性一維光子晶體的研究進(jìn)一步推向?qū)嵱妙I(lǐng)域，促進(jìn)了其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。
　　5、我們構(gòu)筑了基于mPANI/P(AA-GO-NiPAAm)柔性自支撐一維光子晶體的超級(jí)電容器。制備得到的電容器厚度大約為3mm，電容能力達(dá)