熔体微积分模内层叠制备光子晶体的方法与流程

本发明属于材料科学领域，涉及一种熔体微积分模内层叠制备光子晶体的方法，具体的说，涉及一种可通过叠层复合挤出或注射成型制备一维或多维光子晶体的方法

背景技术：

光子晶体是指介电常数周期性变化的材料，由于对特定频率、特定方向的光具有调控作用，在光计算机、芯片、传感器等领域有广泛的应用前景。光子晶体根据空间分布的周期性可分为一维、二维和三维光子晶体，其共同的特征是具有光子禁带，其带隙变化规律满足布拉格衍射公式。

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，如Kral等(Z Kral.,Thin Solid Films,2008,516:8059-8063.)采用光刻结合电化学刻蚀微孔在硅片上制备了规整排列的二维孔结构。近年来，发展了许多制备光子晶体的新方法，如Liu等(W Y Liu.,Polymer,2009,50:2716-2726.)利用水蒸气在材料溶液表面凝结的雾滴为模板，通过全息图案法制备光子晶体；Li等(XLi.,Langmuir,2010,26:2930-2936.)以硅橡胶微图像为基片模板，采用自组装方法制备了PS和SiO₂微球的光子晶体阵列。

在专利(专利号：CN 103143304 A)中公布了一种一维光子晶体微球的制备方法，将微球依次交替浸入两种不同折射率的溶液中进行包覆，但是每层厚度的可控性差。在专利(专利号：CN 103409802 B)中提出一种溶剂挥发自组装法得到聚合物微球以制备蛋白石结构光子晶体的方法，但是该法受到溶剂挥发条件及环境等因素的影响较大，很难形成规则有序排列的光子晶体阵列。专利(专利号：CN 103064146 A)提到采用飞秒微加工只写技术、分散加工、组装堆叠的方法制作一维、二维或三维太赫兹波段光子晶体，但是微尺度操作复杂、难度较大。

技术实现要素：

本发明针对现有技术制备光子晶体可控性差、微尺度加工操作难度大等问题，提出一种熔体微积分模内微纳层叠制备一维或二维光子晶体的方法。

为实现上述目的，本发明熔体微积分模内层叠制备光子晶体的方法由微挤出单元、微纳汇流单元、微纳层叠单元、机头单元组成，两个微挤出单元分别与微纳汇流单元连接，微纳汇流单元后接一个或多个微纳层叠单元，最后经机头单元定型。其中，微纳层叠单元内部包含n个流道，有两种形式，一种是n个90°扭转流道，称之为微纳层叠单元Ⅰ；另一种是n/2个180°扭转流道和n/2个非扭转流道相间分布，称之为微纳层叠单元Ⅱ。熔体在扭转流道入口处进行n次分割，然后分别进入对应的扭转流道，最终在出口处进行再层叠，从而形成微纳层叠结构。

为实现上述方法的技术方案为：将两种不同折射率或介电常数的高分子材料分别通过两个微挤出单元熔融挤出，进入微纳汇流单元汇流成上下2层结构，然后依次经过多个微纳层叠单元进行n次分割，扭转、层叠，形成一维或二维光子晶体。如果经过m个包含90°扭转流道的微纳层叠单元Ⅰ，将得到2×n^m层叠层结构，从而形成一维光子晶体；如果继续再经过1个包含180°扭转流道的微纳层叠单元Ⅱ，将得到2×n^m层、n列的二维光子晶体。

本发明的有益效果是：通过借鉴数学上的微积分思想，用宏观设备即可实现具有微观尺度的光子晶体的制备，降低了操作加工难度，精度容易保证，所制得的光子晶体排列规整有序。

附图说明

图1为本发明熔体微积分模内层叠制备光子晶体的方法的装置示意图；

图2为本发明熔体微积分模内层叠制备光子晶体的方法的光子晶体制备演化图；

图3为本发明熔体微积分模内层叠制备光子晶体的方法的微纳层叠单元流道示意图；

图4为本发明熔体微积分模内层叠制备光子晶体的方法的微纳层叠单元Ⅰ流道示意图；

图5为本发明熔体微积分模内层叠制备光子晶体的方法的微纳层叠单元Ⅱ流道示意图；

图中，1.微挤出单元；2.微纳汇流单元；3.微纳层叠单元Ⅰ；4.微纳层叠单元Ⅱ；5.机头单元；6.微纳层叠单元Ⅰ流道；7.微纳层叠单元Ⅱ流道，7-1.微纳层叠单元Ⅱ非扭转流道；7-2.微纳层叠单元Ⅱ180°扭转流道。

具体实施方式

本发明熔体微积分模内层叠制备光子晶体的方法，如图1所示，由微挤出单元1、微纳汇流单元2、微纳层叠单元、机头单元5组成，两个微挤出单元1分别与微纳汇流单元2连接，微纳汇流单元2后接一个或多个微纳层叠单元，最后经机头5单元定型。其中，微纳层叠单元内部包含n个流道，有两种形式，一种是n个90°扭转流道，称之为微纳层叠单元Ⅰ3；另一种是n/2个180°扭转流道和n/2个非扭转流道相间分布，称之为微纳层叠单元Ⅱ4。流体在扭转流道入口处进行n次分割，然后分别进入对应的扭转流道，最终在出口处进行再层叠，从而形成微纳层叠结构。

为实现上述方法的技术方案为：将两种不同折射率或介电常数的高分子材料分别通过两个微挤出单元1熔融挤出，进入微纳汇流单元2汇流成上下2层结构，然后依次经过多个微纳层叠单元进行n次分割，扭转、层叠，形成一维或二维光子晶体。如果经过m个包含90°扭转流道的微纳层叠单元Ⅰ3，将得到2×n^m层叠层结构，从而形成一维光子晶体；如果继续再经过1个包含180°扭转流道的微纳层叠单元Ⅱ4，将得到2×n^m层、n列的二维光子晶体。图2所示为n＝4时的光子晶体制备演化图，n为大于或等于4的偶数，m为大于或等于2的整数；两个微挤出单元1熔融挤出的2层物料，经过一个微纳层叠单元Ⅰ3一分为四，并经过90°扭转形成8层，再经过一个微纳层叠单元Ⅰ3一分为四，并经过90°扭转形成32层，然后经过一个微纳层叠单元Ⅱ4一分为四，相间180°旋转，形成4列32行二维光子晶体。

微纳层叠单元流道示意图如图3、4、5所示，分为微纳层叠单元Ⅰ流道6和微纳层叠单元Ⅱ流道7两种形式，其中，微纳层叠单元Ⅱ流道7由微纳层叠单元Ⅱ非扭转流道7-1和微纳层叠单元Ⅱ180°扭转流道7-2相间排列。

以上所述为本发明的具体设备及工艺情况，配合各图予以说明。但是本发明并不局限于以上所述的具体设备及工艺过程，任何基于上述所说的对于相关设备修改或替换，任何基于上述所说的对于相关工艺的局部调整，只要在本发明的精神领域范围内，均属于本发明。