专利名称：由纳米压印技术制备水凝胶可调谐光子晶体的方法
技术领域：
本发明属于光子晶体技术领域，具体涉及一种基于纳米压印技术制备可调谐光子晶体 的方法。由该方法制备的光子晶体可以通过改变温度、湿度和PH值等参数来调节水凝胶 制备的光子晶体的结构参数，即周期性排列图形的尺寸和孔间距等。
背景技术：
光子晶体是介电常数在空间呈周期性排列从而可产生光子带隙的微结构材料。理论和 实验证实人们可以利用光子晶体来操纵光子，频率处于禁带内的光子无法在光子晶体内部 传播。光子晶体的禁带导致了许多在普通光学中没有的新性质，例如光子能隙、光子的局 域态、超棱镜色散、受抑制的自发辐射等等。这些性质使得光子晶体成为光子技术中的一 个基础性的材料，具有广泛的应用价值。
一般制备的光子晶体结构都是不可调的，其结构参数是固定的，因此光子禁带位置也 是不变的。如果通过施加电场、磁场或者改变温度来改变材料的介电常数、晶格结构等参 数，实现对光子晶体的禁带可调，那必然将产生一系列的新效应、新现象，使基于光子晶 体的材料有更广泛的应用。
理论上通过控制介质的介电常数差、填充比以及晶体晶格结构等因素中的一个或几个 便可以制作出可调光子晶体。目前制备可调的光子晶体所用的材料有液晶、铁电、水凝胶 等。基于液晶材料和铁电材料的光子晶体一般是通过改变电场来调节材料的介电常数从而 实现光子禁带的变化。但是应用这些材料形成的可调光子晶体应用于生物传感器要通过较 复杂的表面修饰来检测蛋白质、DNA和微生物等生物样品。而水凝胶具有很好的生物相容 性，固定在水凝胶中的生物样品活性能够长时间保持，因此不需要通过表面修饰处理就可 以进行生物样品的检测，简化了检测的步骤和縮短了检测时间。另外水凝胶可以随温度、 湿度、PH值等的变化发生膨胀或收縮，所以基于水凝胶光子晶体的晶格常数是可调谐的。
目前基于水凝胶可调谐光子晶体的制备是采用自组装的方式形成Si02、 PS (polystyrene,聚苯乙烯)、P薩A等胶体粒子三维晶体结构，然后把水凝胶填充在胶体粒 子间隙中。但是采用自组装的方法制备光子晶体，制备步骤多，技术难度大，并且制作过 程中难以引入谐振腔等缺陷，不能很好的利用具有谐振腔的光子晶体的特性。为此，本发 明提出一种直接利用流体铸模和纳米压印等技术制作水凝胶二维光子晶体的方法。然后可 以通过改变温度、湿度、PH值等来调节水凝胶光子晶体的晶格常数，从而实现改变光子禁
带特性。该方法制备工艺简单，制作周期短，成本低。
发明内容
本发明提供一种工序简单、快捷有效形成二维光子晶体的方法，并提供调谐该光子晶 体光子带隙的方法。
本发明提出的形成二维光子晶体的方法，具体步骤为先设计出可见光内的二维光子
晶体图形结构，制作出PDMS弹性印章作为模板，采用流体铸模和纳米压印技术将PDMS 弹性印章上的光子晶体结构转移到水凝胶上，即得到水凝胶可调谐光子晶体，这里水凝胶 材料可以选用聚丙烯酰胺或琼脂糖等。
本发明还提出对该光子晶体进行调谐振光子带隙的方法，其步骤为将上述方法制备
的水凝胶光子晶体置于玻璃或硅等基底上，用粘性材料将水凝胶光子晶体固定在基底上， 通过控制温度的变化使得水凝胶吸收水分膨胀或丢失水分收縮，从而改变水凝胶表面光子 晶体的晶格常数，使光子禁带的位置发生偏移。 本发明基于纳米压印技术制备的水凝胶可调谐光子晶体具有广泛的应用，不仅可以作
为温度或湿度传感器，还可以用于生物DNA分子、蛋白质、病毒等的检测。
图1制备水凝胶光子晶体的流程图示。
图2设计并制作的Si基光子晶体模板(俯视图)，其中，(a)蜂窝结构，(b) o正六 角形结构，(c) o正方形结构。
图3由Si基模板通过铸模得到的PDMS弹性印章模板，再通过压印得到的水凝胶光 子晶体(俯视图)。其中，(a)为蜂窝结构，(b)为正六角形结构，(c)为正方形结构。
图4调谐原理图示。
图中标号1为硅基，2为Si基光子晶体结构，3为聚二甲基硅氧垸材料，4为疏水剂， 5为弹性印章，6为水凝胶，7为水凝胶光子晶体，8为粘性材料，9为玻璃片。
具体实施例方式
水凝胶(Hydrogel)是^巾高分了网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，能吸收 大量的水。凡是水溶性或亲水性的高分子，通过一定的化学交联或物理交联，都可以形成 水凝胶。这些高分子按其来源可分为天然和合成两大类。天然的亲水性高分子包括多糖类 (淀粉、纤维素、海藻酸、透明质酸，壳聚糖等)和多肽类(胶原、聚L-赖氨酸、聚L-谷胺酸等)。合成的亲水高分子包括丙烯酸及其衍生物类(聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚 丙烯酰胺，聚N-聚代丙烯酰胺等)。作为一种高吸水高保水材料，水凝胶被广泛用于多种 领域。不同的应用领域应该选用不同的高分子原料，以满足不同的需求。
本发明制作可调谐光子晶体选用的水凝胶材料具有温敏性，可随温度变化而体积膨胀 或收缩，从而改变光子晶体的尺寸使得光子禁带发生偏移。发明中采用的水凝胶有两种， 琼脂糖(物理类凝胶，将琼脂水溶液加热到9(TC以上溶解后再冷却，粘度逐渐增加，约在
3(TC时成为凝胶，这是因为多糖类的羟基通过氢键形成稳定的双螺旋，双螺旋又缔合而形 成交联)，聚丙烯酰胺(化学类凝胶，无臭、中性、溶于水，温度超过12(TC时易分解)。
本发明制备水凝胶光子晶体的流程如图1(a) (f)所示，图中1为硅基。通过计算机仿真， 设计出蜂窝、正六角形或正方形结构的光子晶体结构，孔径尺寸为3 5微米，首先制作 出如图2中所示Si基的光子晶体结构2。将挥发性溶剂和预聚合物按照10: 1比例均匀配 置，得到聚二甲基硅氧烷(PDMS) 3，将其浇铸在涂有疏水剂4的硅基光子晶体2上，静 放数小时待气泡消尽后在65'C热板上固化1.5小时剥离即可得到弹性印章5。将按一定比 例配置好的水凝胶水浴加热至均匀透明流体16，浇铸到己制备的PDMS弹性印章上。在 65'C热板上待水凝胶流布均匀后取下，采用纳米压印技术压印，然后置于2(TC恒温恒湿箱 中静放待其固化。最后将己固化的水凝胶与PDMS弹性印章剥离即得到水凝胶光子晶体7， 其俯视图分别如图3中a、 b、 c所示。
按照图4所示，将制备的水凝胶光子晶体放置于玻璃片9上，左侧用粘性材料8将水 凝胶光子晶体与玻璃片基底固定，作为调谐的基准端，使得水凝胶光子晶体向右膨胀或向 左收縮。
温度升高，水凝胶吸水量增大，体积膨胀，表面光子晶体的晶格常数增大，透射光谱 中光子禁带向低频方向移动；温度降低，水凝胶失水，体积縮小，表面光子晶体的晶格常 数减小，透射光谱中光子禁带向高频方向移动。可见，本发明得到了可受温度控制的可调 谐光子晶体。
权利要求
1、一种由纳米压印技术制备水凝胶可调谐光子晶体的方法，其特征在于具体步骤为先设计出可见光内的二维光子晶体图形结构，制作出PDMS弹性印章作为模板，采用流体铸模和纳米压印技术将PDMS弹性印章上的光子晶体结构转移到水凝胶上，即得到水凝胶可调谐振光子晶体，这里水凝胶材料选用聚丙烯酰胺或琼脂糖。
2、 一种如权利要求1所述方法制备的水凝胶可调谐光子晶体。
3、 一种对权利要求2所述水凝胶可调谐光子晶体调谐光子带隙的方法，其特征在于具 体步骤如下将水凝胶光子晶体置于玻璃或硅基底上，用粘性材料将水凝胶光子晶体固定 在基底上，通过控制温度的变化使得水凝胶吸收水分膨胀或丢失水分收縮，从而改变水凝 胶表面光子晶体的晶格常数，使光子禁带的位置发生偏移。
全文摘要
本发明属于光子晶体技术领域，具体为一种由纳米压印技术制备水凝胶可调谐振光子晶体。本发明先设计成二维光子晶体图形结构，制作出PDMS弹性印章作为模板，采用流体铸模和纳米压印技术将PDMS上的光子晶体结构转移到水凝胶上，即得到水凝胶可调谐振光子晶体。通过控制温度的变化使水凝胶吸收水份膨胀或丢失水份而收缩，从而改变水凝胶表面光子晶体的晶格常数，使光子禁带的位置发生偏移。本发明制备的水凝胶可调谐光子晶体具有广泛的应用，不仅可以作为温度或湿度传感器，还可以用于生物DNA分子、蛋白质、病毒等的检测。
文档编号G03F7/00GK101201540SQ20071017079
公开日2008年6月18日 申请日期2007年11月22日 优先权日2007年11月22日
发明者包宗明, 嘉 周, 张金英, 王国勋, 纪新明, 华 黄, 黄宜平 申请人:复旦大学