一种各向异性光子晶体的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及各向异性光子晶体，尤其是设及一种各向异性光子晶体的制备方法。
【背景技术】
[0002] 1987 年，Y油 lonovit (Yablonovitch, E. 1987. Phys. Rev. Lett. 58, 2059-2062.) 和 John (John, S. 1987. Phys. Rev. Lett. 58, 2486-2489)分别提出了光子晶体（Photonic 化ystal)的概念。由于光子晶体具有周期性可调节的介电常数，能够使传播的光产生布拉 格散射，从而可W有效地起到聚光和滤光的作用，可W产生例如超棱镜、负折射率等物理现 象，因此引起了科学界的广泛关注。光子晶体作为一类重要的先进光学材料，在光子晶体反 射器件、光子晶体滤波器、发光二极管和光子晶体光纤等方面展现出了巨大的应用前景，成 为构建光子器件的一种重要材料。光子晶体的制备工艺主要有光刻蚀、电化学刻蚀、电子束 和聚焦离子束刻蚀等复杂的半导体微加工技术。自组装法由于工艺简单，并且范德华力、 氨键、静电力和表面张力等作为其驱动力可W很好实现光子晶体的有序排列而受到广泛青 睐。
[0003] 各向异性光子晶体由于其特殊的结构性能引起了广泛关注，规则小球的对称结构 引起偏振模式在布里源区的W点或U点产生能带简并，因此对于一般的介质球来说，产生 低折光指数的全带隙光子晶体是非常困难的。而各向异性光子晶体由于本身不具有对称 性，组装单元可W有效避免对称结构引起的能带兼并使低折光指数的全带隙光子晶体的制 备成为可能，可W构建出球形粒子所不能形成的结构，实现完全3D或者更加细小的光子禁 带，从而扩大了光子晶体的应用。目前，各向异性光子晶体已经有所发展，如Ian D.化sein and Qiekesha M. Liddell 等（Langmuir 2007, 23, 8810-8814)通过悬浮聚合制备出磨茹状 的单分散PS聚合物微球，并通过对流自组装得到六边形远距离的有序结构，得到一层薄而 透明的膜。Jin-Gyu Park(JACS2010, 132, 5960 - 5961)等通过两步法种子乳液聚合生产出 哑铃状的（PS-CO-TMSPA)聚合物，并通过垂直蒸发沉积得到了规则排列的光子晶体结构， 所得到的光子晶体膜在很大的区域内呈现相同的厚度和形态。
[0004] 在中国专利CN200510011219. 2中，利用硬核-软壳的聚合物乳胶粒制备了全色胶 体光子晶体膜，该方法引入了亲水、亲油单体，在聚合过程中亲水单体趋近于水系形成壳， 而亲油单体则趋向于聚合物球体内部迁移形成聚合物微球的内核，配合机械力的作用形成 规则光滑的微球，该种方法始终是一种通过制备规则微球并使其有序排列产生光子晶体的 方法，没有根本性的突破，无法解决规则光滑小球所形成的的光子晶体不能长生特定光子 禁带的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种各向异性光子晶体的制备方法。
[0006] 本发明的具体步骤如下：
[0007] 1)将亲水单体、疏水单体、交联剂加入溶剂中，通氮气加热后进行聚合反应，再加 入引发剂溶液，继续通氮气反应，得到单分散的异形聚合物微球；
[000引 2)将步骤1)制备的单分散异形聚合物微球分散于水中，得到聚合物微球乳液，将 玻璃片放入聚合物微球乳液中，待水分完全挥发后，即得各向异性光子晶体。
[0009] 在步骤1)中，所述亲水单体、疏水单体、交联剂、溶剂和引发剂溶液按质量百分比 的含量可为；亲水单体和疏水单体为1%~20%，交联剂可为亲水单体和疏水单体总质量 的2. 5%~25. 4%，引发剂可为亲水单体和疏水单体总质量的0. 1 %~5%，其余为溶剂；所 述亲水单体与疏水单体的体积比可为1 : (3~20);
[0010] 所述亲水单体可选自甲基丙締酸缩水甘油醋、甲基丙締酸哲己醋、N-异丙基丙締 酷胺、丙締酷胺、丙締酸等中的至少一种；
[0011] 所述疏水单体可采用苯己締等；
[0012] 所述交联剂可采用二己締基苯等；
[0013] 所述溶剂可采用水；
[0014] 所述引发剂溶液可采用过硫酸钟等，引发剂溶液的质量百分比浓度可为0. 2%~ 2%。
[0015] 所述加热的温度可为65~85°C，所述聚合反应时可进行揽拌，揽拌速度可为 200~60化pm ;所述继续通氮气反应的时间可为2化。
[0016] 在步骤2)中，所述聚合物微球乳液的质量百分浓度可为5%~30% ;所述玻璃片 可预先用硫酸处理，处理的时间可为12h ;所述将玻璃片放入聚合物微球乳液中最好将玻 璃片垂直放入聚合物微球乳液中，在60°C下，随着溶剂的蒸发乳液中的单分散聚合物微球 自组装，形成规整堆搁的规则结构，水分完全挥发后即得颜色广泛可调的各向异性光子晶 体。
[0017] 本发明中单分散的异形核壳结构聚合物微球是采用无皂乳液一步合成法制备，具 有操作简单易行、所得产物异形微球粒径大小均一可控的优点。由于不添加任何乳化剂W 及稳定剂，所得产物纯净，后续制备聚合物光子晶体不需任何处理即可使用。采用的无皂乳 液一步聚合法，原料为亲水和亲油的两种单体和交联剂，在聚合过程中，亲水部分趋向于水 溶剂体系形成壳层，而亲油组分则向聚合物球体内部迁移形成聚合物微球的内核，同时交 联剂使得大分子之间联成一团，在机械揽拌力的共同作用下，形成单分散的异形核壳结构 聚合物微球。其粒径大小可根据需要改变亲水亲油单体量的浓度，改变引发剂用量度W及 改变聚合反应温度和揽拌速度来控制。
[0018] 本发明中采用异形单分散的核壳结构聚合物微球，W-定的配比溶于水溶剂中后 形成均匀的乳液，将预先处理好的玻璃片垂直放置于溶液中，并在一定的温度环境下，随着 水分挥发异形聚合物微球自组装形成聚合物光子晶体的方法。得到的光子晶体的颜色可根 据各向异性球粒径的不同来调节；光子晶体膜的厚度取决于所配制异形聚合物微球乳液的 浓度W及涂抹的量。由于得到的异形聚合物微球严格单分散，溶液在挥发过程中异形球很 容易受力规则排列。同时，采用无皂乳液聚合得到的异形球表面无杂质，在堆搁排列过程中 不会受到杂质的干扰，有利于有序结构的形成。
[0019] 本发明打破了传统W粒径均一的规则小球排列形成光子晶体的方法，拓宽了聚合 物光子晶体的产生领域。同时，形成了 W往规则光滑微球由于对称、尺寸原因所不能形成的 光子禁带，得到更加窄的光子带隙，扩大了光子晶体的应用范围。根据此方法制得的异形聚 合物光子晶体由于其特殊的结构和独特的光学特性，在许多装饰材料、涂料、薄膜w及太阳 能聚光器等应用领域具有相当广阔的应用前景；并且由于本发明所用异形聚合微球严格单 分散且纯净，在环保材料、化妆品等要求严格的领域具有独特优势。
[0020] 本发明通过无皂乳液聚合制备出异形聚合物微球，利用垂直沉积法合成了一种各 向异性的光子晶体。该方法引入了交联剂，在聚合过程中亲水单体趋近于水系形成壳，而亲 油单体则趋向于聚合物球体内部迁移形成聚合物微球的内核，交联剂作用于单体实现单体 内部聚合，配合机械揽拌的作用，从而制备出与W往不同的各向异性聚合物微球。并且由于 采用无皂乳液聚合，没有引入任何的杂质如；乳化剂、缓冲剂等，所得到的异形微球纯净，