一种制备大面积不开裂胶体光子晶体膜的方法与流程

本发明涉及一种制备大面积不开裂胶体光子晶体膜的方法，更具体地说涉及利用聚氨酯中氢键增强胶体微球间结合力，实现光子晶体大面积成膜而不产生裂纹，并进一步用于增强量子点的荧光强度的方法。

背景技术：

胶体光子晶体是一种由单分散有机或无机胶体粒子，通过自下而上法制备的新型功能材料。由于其在空间上长程有序的周期性排列，具有光子禁带的特征，因而被广泛应用于显示、化学传感及荧光增强等领域。目前，如何解决大面积成膜而不开裂的问题成为光子晶体研究的热点。至今为止，已报道的光子晶体成膜的方法有：垂直沉积法、外场力诱导组装法、模板组装法等，然而这些方法存在步骤繁琐、耗费昂贵等问题，大大限制了胶体光子晶体的实际应用。而且在成膜过程中，溶剂挥发时，胶体微球之间的毛细管力会产生横向压应力，当此横向压应力超过临界值，最终形成的光子晶体膜会出现裂纹，裂纹的产生严重限制了胶体光子晶体膜的大面积制备。因此，如何利用简单有效、低成本的方法解决成膜过程中的开裂问题对快速大面制备高性能光子晶体膜显得尤为重要。

近年来，尽管led器件经历了充足的发展，但是，较低的光提取效率严重限制led光源输出功率。因此研发高功率的led器件成为拓宽led应用领域的关键。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服光子晶体成膜步骤复杂，容易开裂，难以大面积施工等缺点，从而提供一种制备大面积不开裂胶体光子晶体膜的方法。此方法条件温和，步骤简单，重复性好，所制备的胶体光子晶体膜具有大面积、不开裂、光学性质优异的特点。

为达到上述目的，本发明的技术方案是在胶体微球乳液体系中引入含有氢键网络的聚氨酯乳液，通过微球和聚氨酯网络的氢键作用以增强微球间结合力，从而实现大面积成膜而不开裂。本发明利用高光学质量的光子晶体膜极强的布拉格衍射作用，使得光子以减弱的群速度在光子晶体中传播，达到光增益的效果，即达到荧光增强的效果。

本发明的具体技术方案为：一种制备胶体光子晶体和量子点复合膜的方法，其具体步骤如下：将水性聚氨酯分散到胶体粒子溶液中；然后以配制成的均相溶液为涂膜液，用丝棒在亲水基底上刮涂出大面积胶体光子晶体膜；最后在胶体光子晶体膜的表面用旋涂仪旋涂出一层量子点。

优选上述的涂膜液是胶体粒子和聚氨酯的混合水溶液；其中涂膜液中胶体粒子的质量浓度为25％-35％，聚氨酯的质量浓度为1％-5％。

优选上述的胶体粒子是表面羧基改性的单分散聚苯乙烯胶体微球；表面羧基改性的单分散聚苯乙烯微球的粒径范围180nm-300nm，单分散系数为1％-5％。

优选所刮涂出的胶体光子晶体膜的禁带位置位于510nm-620nm。

优选旋涂仪旋涂所用的溶液为cdte量子点和pva的混合水溶液，其中cdte量子点在混合水溶液中的质量分数为0.1％-1％，pva在混合水溶液中的质量分数为0.5％-2％。

优选cdte量子点的发射峰在510nm-620nm之间。优选旋涂仪的旋涂速度为1000rpm-2500rpm，时间为30s-60s。

优选上述的亲水基底为玻璃、硅片或塑料中的一种。优选所述的亲水基底的接触角为10°-25°。

有益效果：

1、本发明制备的胶体光子晶体膜具有柔性，不易开裂的物理性能，结构色绚丽、禁带位置可调的光学性能。

2、本发明制备的胶体光子晶体膜具有易于大面积施工，具有工业应用前景的特点。

3、本发明制备的基于胶体光子晶体的量子点膜荧光性能优异，稳定性好，荧光强度比普通量子点膜有显著提高。

4、本发明制备的基于胶体光子晶体的量子点膜可以作为荧光体有效应用于发光器件中。

附图说明

图1为本发明实施例1胶体光子晶体膜的实物图；

图2为本发明实施例1胶体光子晶体膜的电镜扫面图；

图3为本发明实施例1胶体光子晶体膜反射光谱图；

图4为本发明实施例1胶体光子晶体增强量子点膜的荧光图；

图5为本发明实施例1量子点膜在不同基底下的荧光光谱图，其中，曲线a为不开裂的胶体光子晶体膜为背景的量子点荧光光谱，b为开裂的胶体光子晶体膜为背景的量子点荧光光谱，c为pet塑料上成膜的量子点荧光光谱图。

具体实施方式

以下通过具体实施例说明本发明，但本发明并不仅仅限定于这些实施例。

实施例1

在粒径为228nm，单分散系数为1％的表面羧基改性的单分散聚苯乙烯微球乳液中加入聚氨酯乳液，制成的混合溶液，其中聚苯乙烯微球质量分数为30％，聚氨酯质量分数为1％。超声分散均匀，直至无气泡。然后用丝棒在接触角为18°的pet塑料膜表面进行刮涂，待溶剂干燥，可以获得不开裂的光子晶体膜。

图1为所述的光子晶体膜实物图，尺寸为30*40cm，光子晶体膜显示亮丽的绿色结构色，表面均匀无开裂现象。

将所述光子晶体膜进行电镜扫描，结果参见图2，结果显示所制备的光子晶体膜由单分散胶体粒子组成，为短程有序的紧密排列。

图3为所述的光子晶体膜的反射光谱图，光子晶体膜的光子禁带位于540nm，半峰宽30nm，反射强度高。

在pva水溶液中加入水相cdte(发射峰540nm)，制成混合溶液，混合溶液中，cdte质量分数为0.1％，pva的质量分数为0.5％。

在禁带位置540nm的胶体光子晶体膜上滴加cdte/pva溶液，以1200rpm的速度旋涂30s。

待溶剂挥发，对胶体光子晶体增强的量子点膜进行固体荧光测试。

图5为所述不开裂胶体光子晶体增强的量子点的荧光光谱图。其中，曲线a为不开裂的胶体光子晶体膜为背景的量子点荧光光谱，b为开裂的胶体光子晶体膜为背景的量子点荧光光谱，c为pet塑料上成膜的量子点荧光光谱图。可以看出不加聚氨酯的胶体光子晶体膜使cdte量子点荧光强度增加了一倍，而加入聚氨酯后不开裂胶体光子晶体膜使cdte量子点荧光强度增加了三倍。该荧光光谱图说明，本发明制备的不开裂胶体光子晶体膜在量子点荧光增强效应中效率更高。

实施例2

在粒径为211nm，单分散系数为3％的表面羧基改性的单分散聚苯乙烯微球中加入聚氨酯乳液，制成的混合溶液中，聚苯乙烯微球质量分数为35％，聚氨酯质量分数为3％。超声分散均匀，直至无气泡。然后用丝棒在接触角为13°的玻璃表面进行刮涂，待溶剂干燥，可以获得不开裂的光子晶体膜。

在浓度为1％的pva水溶液中加入水相cdte(发射峰500nm)，制成混合溶液，混合溶液中，cdte质量分数为0.5％，pva的质量分数为1％。在胶体光子晶体膜上滴加cdte/pva溶液，以1500rpm的速度旋涂45s。

所制得的光子晶体膜尺寸为35*42cm，对所得胶体光子晶体膜进行反射光谱测试，测得其禁带位置位于500nm，对所得光子晶体/量子点复合膜进行荧光光谱测试，测得其荧光发射峰位于502nm。对比原始量子点膜发现，荧光强度有较大增强。结果表明，本发明制备的光子晶体膜对于量子点膜具有良好的荧光增强效应。

实施例3

在粒径为256nm，单分散系数为5％的表面羧基改性的单分散聚苯乙烯微球中加入聚氨酯乳液，制成的混合溶液中，聚苯乙烯微球质量分数为25％，聚氨酯质量分数为5％。超声分散均匀，直至无气泡。然后用丝棒在接触角为24°的硅片表面进行刮涂，待溶剂干燥，可以获得不开裂的光子晶体膜。

在浓度为1.5％的pva水溶液中加入水相cdte(发射峰610nm)，制成混合溶液。混合溶液中，cdte质量分数为1％，pva的质量分数为1.5％。在禁带位置610nm的胶体光子晶体膜上滴加cdte/pva溶液，以2000rpm的速度旋涂60s。

所制得的光子晶体膜尺寸为32*41cm，对所得胶体光子晶体膜进行反射光谱测试，测得其禁带位置位于606nm，对所得光子晶体/量子点复合膜进行荧光光谱测试，测得其荧光发射峰位于610nm。对比原始量子点膜发现，荧光强度有较大增强。结果表明，本发明制备的光子晶体膜对于量子点膜具有良好的荧光增强效应。