一种蓝绿色空心氧化硅光子晶体结构色薄膜及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光子晶体结构色薄膜制备技术领域，具体涉及一种蓝绿色空心氧化硅 光子晶体结构色薄膜及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 结构色是由物体的微观结构与可见光发生干涉、散射或者衍射等现象而显色的， 这是一种物理呈色，其具有颜色鲜艳、永不褪色、环境友好、制备周期短等优点。其中通过胶 体微球的有序自组装法，形成的高低折射率交替变化的蛋白石光子晶体，也具有光子带隙 特征，当入射光频率落在带隙范围内时，该入射光将不能通过该光子晶体，这些不能继续传 播的可见光会被光子晶体反射，最后在具有周期性结构的光子晶体表面形成相干衍射，而 产生绚丽多彩的结构色。通过对自然界中和人工制备结构色的研究，目前已在显示、装饰、 防伪等领域有很好的应用。近些年，空心球组装成的光子晶体受到研究者的广泛，如Deng在 SynthesisofMonodispersePolystyreneiVinyl-Si〇2Core-Shel1Particlesand HollowSi〇2Spheres，Jiang在Fabricationandopticalpropertiesofsilicashell photoniccrystals中均提出来一种氧化娃空心球光子晶体结构色薄膜的制备方法，主要 是通过PS@Si02核壳结构微球在基板上的自组装，然后在空气下吨少去除有机物核的技术 在玻璃基板表面组装获得的，该光子晶体结构色有较好的结构。然而，氧化硅空心球组装的 光子晶体由于壳层较薄，导致了有效折射率调制较小，从而空心氧化硅组装而成的光子晶 体具有反射强度较小。这将会严重限制空心球光子晶体在结构色方面的应用。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种蓝绿色空心氧化硅光子晶体结构色薄膜及其制备方 法，该方法简单易行，对环境无污染，制得的蓝绿色空心氧化硅光子晶体结构色薄膜颜色饱 和度高、不易褪色。
[0004] -种蓝绿色空心氧化硅光子晶体结构色薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0005] 1)将粒径为240 ±5nm的聚苯乙烯微球粉体超声分散于乙醇和去离子水的混合液 中，然后加入氨水，充分混匀后向混合体系中加入硅源，搅拌反应后，离心取沉淀，沉淀经洗 涤、干燥，制得PS@Si02核壳结构微球；
[0006] 2)将PS@Si02核壳结构微球分散于无水乙醇中，制得含有Si02微球的乳浊液；
[0007] 3)将玻璃基片垂直浸入含有Si02微球的乳浊液中，于40~50°C下干燥至含有Si〇2 微球的乳浊液中的无水乙醇完全挥发后，在玻璃基片表面制得核壳结构光子晶体薄膜；
[0008] 4)将核壳结构光子晶体薄膜在500~600°C还原气氛下煅烧1~4小时，制得高色彩 饱和度的蓝绿色空心氧化硅光子晶体结构色薄膜。
[0009] 步骤1)中聚苯乙烯微球粉体、乙醇及去离子水的用量比为0.03g:(25~40)mL:(2 ~4)mL〇
[0010] 每30~45mL乙醇和去离子水的混合液中加入0.3~0.5mL质量分数为30%的氨水。
[0011]步骤1)所述硅源是向混合体系中加入正硅酸乙酯，加入量为:每〇. 〇3g聚苯乙烯微 球粉体加入200~250yL正硅酸乙酯。
[0012]步骤1)加入氨水后的充分混勾是在室温下采用磁力搅拌30~60min;加入娃源后 的搅拌反应是在室温下磁力搅拌7~10h。
[0013] 步骤1)所述的离心是在4000~8000r/min下进行，离心时间为3~6min。
[0014] 步骤1)所述对沉淀的洗涤是将沉淀先经过去离子水洗2~4次，再经过无水乙醇清 洗2~4次。
[0015] 步骤2)中PS@Si02核壳结构微球与无水乙醇的用量比为(0.1~0.25)g:10mL。
[0016] 玻璃基片在使用前经过清洗:先在质量浓度为30%的双氧水溶液里浸泡10h，再用 去离子水和无水乙醇各清洗2~3次。
[0017]本发明还公开了采用上述方法制得的蓝绿色空心氧化硅光子晶体结构色薄膜。
[0018]与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0019]本发明公开的蓝绿色空心氧化硅光子晶体结构色薄膜的制备方法，首先以粒径为 240±5nm的有机聚苯乙烯（PS)微球粉体为模板，在其表面首先修饰-NH2,再利用改进的 St5ber法在其表面包覆一层均匀的氧化硅层，然后通过自组装在玻璃基片表面形成蛋白 石结构的光子晶体结构，再通过还原气氛保护下的煅烧将PS微球碳化，由于碳化的PS微球 所生成的黑色物质存在于每个空心氧化硅壳层内部，从而吸收大部分非相干散射光，部分 碳化的PS存在于空心球内部，大大提高空心球颜色饱和度，从而解决了空心球组装成光子 晶体颜色可见度低的缺点，获得一种具有高饱和度氧化硅空心球组装而成的蓝绿色光子晶 体结构色薄膜。本发明工艺过程简单易行，对环境无污染，能大规模工业生产，具有广阔的 应用前景。
[0020] 经本发明制得的蓝绿色薄膜颜色亮丽、饱和度高、不易褪色，解决了化学有机物颜 料易裡色，对人体有害的缺点。
【附图说明】
[0021] 图1为实施例1所得具有高色彩饱和度蓝绿色空心氧化硅光子晶体结构色薄膜的 光学显微镜照片；
[0022] 图2为实施例1所得空心氧化硅微球扫描电镜图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而 不是限定。
[0024]实施例1
[0025]-种蓝绿色空心氧化硅光子晶体结构色薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0026] (1)将聚苯乙烯(PS)微球粉体、乙醇及去离子水按照0.03g: 30mL: 2mL的用量比，称 取粒径为240±5nm的PS微球粉体超声分散于无水乙醇和去离子水的混合液中，分散完全 后，按照每30mL混合液加入0.3mL氨水的比例，向混合液中加入氨水，室温下磁力搅拌混合 3〇min，再向反应体系中快速加入200uL正硅酸乙酯作为硅源，室温下磁力搅拌反应7h后经 过洗涤、离心、干燥，即可得到PS@Si02核壳结构微球，其直径为300±5nm，壳层厚度为30 土 5nm〇
[0027] (2)准确称量步骤（1)得到PS@Si02核壳结构微球O.lg，超声分散于lOmL无水乙醇 中，制得含有Si〇2微球的乳浊液，并在40°C烘箱中利用垂直沉积法在玻璃基片上镀膜。
[0028] (3)将制备的核壳结构光子晶体薄膜在500°C还原气氛下煅烧2h，有机微球碳化， 即可得到既有高色彩饱和度的蓝绿色空心氧化硅光子晶体结构色薄膜。
[0029] 参见图1，从图1中可以看出煅烧之后的结构色单元呈现出具有高饱和度的蓝绿 色，色彩亮丽。
[0030]参见图2,从图2中可以看出利