一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法，包括：将金属离子化合物配制成浓度0.1wt％～5wt％的溶液，然后加入含有功能基团的单分散微球溶液中，超声分散均匀，在恒温恒湿环境或恒温环境条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。本发明在消除光子晶体裂纹的同时，又不影响制备得到的光子晶体的光学质量；工艺简单，节约了制备成本，且普适性强，具有良好的应用前景。
【专利说明】
一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法
技术领域
[0001]本发明属于光子晶体领域，特别涉及一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法。
【背景技术】
[0002]光子晶体是由折射率不同的两种或多种介电材料在空间周期性排列而成有序结构。例如孔雀的羽毛，蝴蝶的翅膀，绚丽的蛋白石，它们均是在自然界广泛存在的光子晶体。这种来源于他们自身的纳米，微米周期结构的绚丽的“结构色彩”，具有永不褪色的特点，是新一代显示设备和光学器件的理想材料。因此，如何能够人工制备光子晶体是科学家们一直努力的目标。传统的制备光子晶体的方法包括物理光刻的方法和化学自组装的方法，其中自组装方法由于成本低廉、操作简便，是目前制备光子晶体的常用方法。随着溶剂的挥发，微球逐渐相互靠近并产生紧密堆积形成光子晶体。但是在自组装过程中，由于微球之间的相互作用力较弱，随着溶剂的蒸发，组装基材对微球的粘附力增加，从而不可避免的产生裂纹。这严重影响了光子晶体的质量，同时限制了所制备的光子晶体在光学器件等领域的应用。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是提供一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法，该方法在消除光子晶体裂纹的同时，又不影响制备得到的光子晶体的光学质量;工艺简单，节约了制备成本，且普适性强，具有良好的应用前景。
[0004]本发明的一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法，包括:
[0005]将金属离子化合物配制成浓度0.1?1%?5?1%的水溶液，然后加入含有功能基团的单分散微球溶液中，超声分散均匀，在恒温恒湿环境或恒温环境条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。
[0006]所述金属离子为Zn2+、Al3+、Ca2+、Mg2+、CU2+、Zr4+中的一种或几种等具有良好络合能力的离子。
[0007]所述功能基团为羧基、氨基、羟基、羰基中的一种或几种。所述功能基团应为易与金属离子形成配位络合物、且易于被修饰的功能基团。
[0008]所述含有功能基团的单分散微球为聚合物微球、无机纳米微球或无机纳米微球为核、聚合物为壳的核壳结构微球。所述的单分散微球为市售或基于文献合成(AdvancedMaterials，2014，26，1 0 5 8； An g ew.Ch em.1nt.Ed.2012,51 ,9 2 9 7 ；Macromol.Chem.Phys.2006，207，596;Chem.Mater.,2000，12,508;Colloid.Polym.Sc1.1974,252,464.)o
[0009]所述聚合物为聚苯乙烯-聚丙烯酰胺、聚-N-异丙基丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯_聚丙烯酸、聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸、聚丙烯酰胺中的一种或几种的共聚物。
[0010]所述无机纳米微球为二氧化娃、二氧化钛、四氧化三铁、氧化铁、碳黑、稀土氧化物中的一种或几种，或者其他无机纳米材料。
[0011]所述含有功能基团的单分散微球的粒径范围为100?500nm;浓度为lwt%?10wt% ;单分散微球的单分散性小于5%。
[0012]所述恒温恒湿环境的条件为:温度40°C?80°C，湿度40%?90% ;所述恒温环境的条件为:温度40°C?80°C。
[0013]本发明提出了利用微球自组装过程中微球表面的功能基团与金属离子之间的络合作用来消除裂纹的新思路。通过加入具有不同络合常数的金属离子，与微球共组装得到高质量无裂纹的光子晶体。本发明的创新性在于:利用金属离子与微球表面功能基团之间强的络合作用力来抵消光子晶体组装过程中基材对组装单元的粘附力，在消除裂纹的同时又不影响制备得到的光子晶体的光学质量，得到一种简便的制备大面积无裂纹光子晶体的新思路。目前本发明中涉及到的研究方法尚未见文献报道。
[0014]本发明通过对单分散微球表面进行功能基团修饰后，利用功能基团与金属离子之间形成配位键的络合作用力，抵消掉由于基材的粘附力和微球收缩而产生的拉伸应力，制备得到大面积无裂纹的光子晶体。
[0015]有益效果
[0016]本发明在消除光子晶体裂纹的同时，又不影响制备得到的光子晶体的光学质量；工艺简单，节约了制备成本，且普适性强，具有良好的应用前景。
【附图说明】
[0017]图1a为本发明制备的无裂纹光子晶体的光学显微镜照片；图1b和Ic均为制备的无裂纹光子晶体的扫描电镜照片；图1d为制备的无裂纹光子晶体的傅里叶变换谱图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0019]实施例1
[0020]单分散的聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸乳胶粒水溶液，乳液粒径为10nm，浓度为Iwt %，溶剂为水;碳酸锆氨作为锆离子的原料，调节溶液浓度为0.1wt %，然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在40°C的温度和40%的湿度条件下，随着溶液的不断加热，碳酸锆氨迅速分解出氨气和二氧化碳，金属离子游离出来并与羧基络合，增加了乳胶粒之间的相互作用力，平衡了乳胶粒组装过程中由于基材的粘附力，从而消除了裂纹。从图1a中可以看到，在整个面积上，裂纹被消除；从图1b和Ic可以看到，微球在微观结构上呈现规整的周期性排列;从图1d可以看到，点阵结构也证实了微观上的周期性结构。
[0021]实施例2
[0022]单分散的聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸乳胶粒水溶液，乳液粒径为500nm，浓度为1wt %，溶剂为水;碳酸锆氨作为锆离子的原料，调节溶液浓度为5wt %，然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在80°C的温度和80 %的湿度条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。
[0023]实施例3
[0024]单分散的聚苯乙烯-聚丙烯酰胺乳胶粒水溶液，乳液粒径为500nm，浓度为lwt%，溶剂为水;卤化铜作为铜离子的原料，调节溶液浓度为5wt%，然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在60°C的温度和60%的湿度条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。
[0025]实施例4
[0026]单分散的聚苯乙烯-聚丙烯酰胺乳胶粒水溶液，乳液粒径为lOOnm，浓度为10wt%，溶剂为水;卤化铜作为铜离子的原料，调节溶液浓度为0.lwt%，然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在80°C的温度和80%的湿度条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。
[0027]实施例5
[0028]单分散的聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸乳胶粒水溶液，乳液粒径为10nm，浓度为lwt%，溶剂为水；卤化铝作为铝离子的原料，调节溶液浓度为0.1wt%，然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在80°C的温度和80%的湿度条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。
[0029]实施例6
[0030]单分散的聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸乳胶粒水溶液，乳液粒径为500nm，浓度为10wt%，溶剂为水;卤化铝作为铝离子的原料，调节溶液浓度为5wt%，然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在40 V的温度和40 %的湿度条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。
[0031 ] 实施例7
[0032]单分散的聚-N-异丙基丙烯酰胺乳胶粒水溶液，乳液粒径为500nm，浓度为lwt%，溶剂为水;卤化钙作为钙离子的原料，调节溶液浓度为0.lwt%，然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在60°C的温度和60%的湿度条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。
[0033]实施例8
[0034]单分散的聚-N-异丙基丙烯酰胺乳胶粒水溶液，乳液粒径为lOOnm，浓度为10wt%，溶剂为水;卤化钙作为钙离子的原料，调节溶液浓度为5wt %，然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在40°C的温度和40%的湿度条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。
[0035]实施例9
[0036]单分散的聚丙烯酰胺乳胶粒水溶液，乳液粒径为lOOnm，浓度为lwt%，溶剂为水；卤化锌作为锌离子的原料，调节溶液浓度为5wt%，然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在60°C的温度和60%的湿度条件下，自组装得到无裂纹光子晶体。
[0037]实施例10
[0038]单分散的聚丙烯酰胺乳胶粒水溶液，乳液粒径为500nm，浓度为10wt%，溶剂为水；卤化锌作为锌离子的原料，调节溶液浓度为0.lwt%，然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在80°C的温度和80%的湿度条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。
[0039]实施例11
[0040]单分散的聚-N-异丙基丙烯酰胺-二氧化硅核壳结构乳胶粒水溶液，乳液粒径为500nm，浓度为lwt%，溶剂为水；卤化I丐作为I丐离子的原料，调节溶液浓度为0.lwt%，然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在60 V的温度和60 %的湿度条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。[0041 ] 实施例12
[0042]单分散的聚-N-异丙基丙烯酰胺-二氧化硅核壳结构乳胶粒水溶液，乳液粒径为lOOnm，浓度为1wt %，溶剂为水；卤化1丐作为1丐离子的原料，调节溶液浓度为5wt %，然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在40°C的温度和40%的湿度条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。
[0043]实施例13
[0044]单分散的聚-N-异丙基丙烯酰胺-四氧化三铁核壳结构乳胶粒水溶液，乳液粒径为lOOnm，浓度为lwt%，溶剂为水；卤化铜作为铜离子的原料，调节溶液浓度为0.lwt%，然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在80 V的温度和80 %的湿度条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。
[0045]实施例14
[0046]单分散的聚-N-异丙基丙烯酰胺-四氧化三铁核壳结构乳胶粒水溶液，乳液粒径为500nm，浓度为1wt %，溶剂为水；卤化镁作为镁离子的原料，调节溶液浓度为5wt %，然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在40°C的温度和40%的湿度条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。
[0047]实施例15
[0048]单分散的聚丙烯酰胺-稀土氧化物核壳结构乳胶粒水溶液，乳液粒径为500nm，浓度为lwt%，溶剂为水;碳酸锆铵作为锆离子的原料，调节溶液浓度为0.lwt%，然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在60°C的温度和60%的湿度条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。
[0049]实施例16
[0050]单分散的聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸-稀土氧化物核壳结构乳胶粒水溶液，乳液粒径为10nm，浓度为1wt %，溶剂为水；卤化I丐作为I丐离子的原料，调节溶液浓度为5wt%，然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在40°C的温度和40%的湿度条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。
[0051 ] 实施例17
[0052]单分散的聚苯乙烯-聚丙烯酰胺-二氧化钛核壳结构乳胶粒水溶液，乳液粒径为500nm，浓度为Iwt%，溶剂为水;碳酸错钱作为错离子的原料，调节溶液浓度为0.lwt% ,然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在60°C的温度和60%的湿度条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。
[0053]实施例18
[0054]单分散的聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸-稀土氧化物核壳结构乳胶粒水溶液，乳液粒径为10nm，浓度为1wt %，溶剂为水;卤化钙作为钙离子的原料，调节溶液浓度为5wt %，然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在80°C的温度和80 %的湿度条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。
[0055]实施例19
[0056]单分散的聚苯乙烯-聚丙烯酰胺-氧化铁核壳结构乳胶粒水溶液，乳液粒径为500nm，浓度为Iwt%，溶剂为水;碳酸错钱作为错离子的原料，调节溶液浓度为0.lwt% ,然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在60°C的温度和60%的湿度条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。
[0057]实施例20
[0058]单分散的聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸-碳黑核壳结构乳胶粒水溶液，乳液粒径为lOOnm，浓度为1wt %，溶剂为水；卤化1丐作为1丐离子的原料，调节溶液浓度为5wt %，然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在40°C的温度和40%的湿度条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。
【主权项】
1.一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法，包括: 将金属离子化合物配制成浓度0.1wt%?5?1%的水溶液，然后加入含有功能基团的单分散微球溶液中，超声分散均匀，在恒温恒湿环境或恒温环境条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。2.根据权利要求1所述的一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法，其特征在于:所述金属离子为 Zn2+、Al3+、Ca2+、Mg2+、Cu2+、Zr4+中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法，其特征在于:所述功能基团为羧基、氨基、羟基、羰基中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法，其特征在于:所述含有功能基团的单分散微球为聚合物微球、无机纳米微球或无机纳米微球为核、聚合物为壳的核壳结构微球。5.根据权利要求4所述的一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法，其特征在于:所述聚合物为聚苯乙烯-聚丙烯酰胺、聚-N-异丙基丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸、聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸、聚丙烯酰胺中的一种或几种的共聚物。6.根据权利要求4所述的一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法，其特征在于:所述无机纳米微球为二氧化硅、二氧化钛、四氧化三铁、氧化铁、碳黑、稀土氧化物中的一种或几种。7.根据权利要求1或4所述的一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法，其特征在于:所述含有功能基团的单分散微球的粒径范围为100?50011111;浓度为1的％?10被％;单分散微球的单分散性小于5%。8.根据权利要求1所述的一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法，其特征在于:所述恒温恒湿环境的条件为:温度40 V?80 V，湿度40 %?90 % ;所述恒温环境的条件为:温度40Γ?80Γο
【文档编号】C30B7/14GK105887181SQ201610389101
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月2日
【发明人】石小迪
【申请人】东华大学