一种光子晶体薄膜、其制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种光子晶体薄膜、其制备方法及应用。光子晶体薄膜包括Fe3O4纳米粒子和聚丙烯酰胺水凝胶，所述Fe3O4纳米粒子均匀分散于聚丙烯酰胺水凝胶中，浓度在1mg/ml～50mg/ml之间。其制备方法如下：(1)将Fe3O4纳米粒子、丙烯酰胺、甲叉丙烯酰胺和光引发剂均匀分散于有机溶液中，得到水凝胶光子晶体前体的悬浊液；(2)将凝胶光子晶体前体的悬浊液铺设成150～300μm的薄膜；加载300～2000高斯的磁场，使得所述薄膜显色，然后固化；(3)将固化光子晶体薄膜浸泡在水中，置换掉有机溶剂，即制得所述光子晶体薄膜。所述薄膜具备灵敏的溶剂响应和机械响应能力，制备快，能应用于裸眼检测。

【技术实现步骤摘要】
一种光子晶体薄膜、其制备方法及应用
本专利技术属于光子晶体材料领域，更具体地，涉及一种光子晶体薄膜、其制备方法及应用。
技术介绍
光子晶体是由具有不同折射率的材料在空间交替构成的一种周期性结构，其最根本的特征是具有光子禁带，即落在禁带中的光被禁止传播。由于其独特的光学性质，光子晶体被广泛应用于多种光学器件(如调制器、传感器、显示器等)的制备和编码材料等领域。纳米粒子在重力场下可通过挥发自组装形成光子晶体薄膜。虽然该方法制备工艺简单，但是制备周期较长，容易形成多晶态，得到的光子晶体材料机械性能差，且其有序结构在外界条件(温度、溶剂和机械力等)作用下容易被破坏。另一方面，水凝胶光子晶体是带电荷的单分散纳米颗粒分散在水凝胶中的晶格常数可调的功能光学材料，其有序结构能够被水凝胶固定，因而结构和性质比较稳定。水凝胶光子晶体在特定外界刺激作用下会引起体积的膨胀或收缩，从而改变晶格常数，使水凝胶光子晶体的衍射峰位置和结构色发生变化。与传统的无机纳米粒子组成的光子晶体相比，水凝胶光子晶体具有刺激响应性、可裸眼检测和有序结构不易被破坏等优点。目前，水凝胶光子晶体可以在溶剂、溶液pH值、光、机械力、温度或葡萄糖等刺激下发生响应。现有的水凝胶光子晶体的制备多使用二氧化硅(SiO2)和聚苯乙烯(PS)纳米粒子组建胶体晶体阵列。然而，现有的水凝胶光子晶体制备周期较长，机械响应范围小，同时机械灵敏度不佳,限制了其在溶剂响应、机械响应等领域应用。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种光子晶体薄膜、其制备方法及应用，其目的在于通过采用Fe3O4纳米颗粒和单体配方，在光子晶体薄膜中形成规整结构，由此解决现有的水凝胶光子晶体制备周期长、机械灵敏度不佳、不能应用于裸眼检测的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种光子晶体薄膜，包括Fe3O4纳米粒子和聚丙烯酰胺水凝胶，所述Fe3O4纳米粒子均匀分散于聚丙烯酰胺水凝胶中，浓度在1mg/ml至50mg/ml之间，所述Fe3O4纳米粒子呈一维链状排列，所述光子晶体薄膜的灵敏度在200nm/0.5kPa至145nm/300kPa之间。优选地，所述光子晶体薄膜，其机械响应光谱范围为462nm至662nm之间；优选地，所述光子晶体薄膜，其溶剂响应光谱范围为473nm至662nm之间。按照本专利技术的另一个方面，提供了所述光子晶体薄膜的制备方法，包括以下步骤：(1)光子晶体水凝胶前体的制备：将Fe3O4纳米粒子、丙烯酰胺、甲叉丙烯酰胺和光引发剂均匀分散于有机溶液中，得到水凝胶光子晶体前体的悬浊液，使得每毫升水凝胶光子晶体前体中含有Fe3O4纳米粒子1mg至50mg，丙烯酰胺100mg至600mg，甲叉丙烯酰胺1mg至20mg，光引发剂0.1mg至1mg；(2)固化光子晶体薄膜的制备：将步骤(1)中获得的水凝胶光子晶体前体的悬浊液铺设成150μm至300μm的薄膜；加载300高斯至2000高斯的磁场，使得所述薄膜显色，得到显色薄膜；照射紫外光使得所述显色薄膜固化，固化光子晶体薄膜；(3)水凝胶光子晶体薄膜的制备：将步骤(2)中获得的固化光子晶体薄膜浸泡在水中，置换掉有机溶剂，即制得所述光子晶体薄膜。优选地，所述制备方法，其所述有机溶剂为乙二醇。优选地，所述制备方法，其步骤(2)外加磁场，使得所述薄膜呈蓝色。优选地，所述制备方法，其所述Fe3O4纳米粒子按照如下方法制备：将二茂铁，双氧水溶解在丙酮中，得到溶液，使得所述溶液中二茂铁浓度在0.001mg/ml至0.05mg/ml之间，双氧水浓度在0.01mg/ml至0.1mg/ml之间；在100～500℃下反应10～80小时,反应完全后，自然冷却至室温,分离固体得到的Fe3O4纳米粒子，清洗后得到所述Fe3O4纳米粒子。按照本专利技术的另一个方面，提供了所述光子晶体薄膜的应用，其应用于裸眼检测。优选地，所述光子晶体薄膜应用，其所述裸眼检测为机械压力裸眼检测和液态或气态化学含量的多重检测。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效：(1)本专利技术提供的水凝胶光子晶体薄膜是含有磁性纳米粒子，其悬浮液在磁场作用下能够快速形成一维排列，之后通过紫外光聚合悬浮液中单体使其有序结构固定，具有溶剂和机械力双重响应性能的光子晶体薄膜。(2)本专利技术提供的水凝胶光子晶体薄膜的颜色鲜艳，溶剂或机械力刺激下的响应范围覆盖整个可见光范围，适宜于裸眼检测；具有响应范围可调、灵敏度高(<0.8KPa)、机械响应速度快(<1s)和稳定性高等优点。(3)本专利技术提供的水凝胶光子晶体薄膜的制备方法，在外加磁场的影响下，纳米粒子迅速形成一维排列，使得制备时间短，整个过程仅需15分钟左右，质量稳定，适合大规模生产。附图说明图1是实施例1的光子晶体薄膜在不同含量的水溶液中的反射光谱图，其中图1A为甲醇水溶液，图1B为乙醇水溶液，图1C为丙酮水溶液；图2是实施例1的光子晶体薄膜在不同压力下的反射光谱图；图3是实施例2的光子晶体薄膜在不同压力下的反射光谱图；图4是实施例3的光子晶体薄膜在不同压力下的反射光谱图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术提供的光子晶体薄膜，包括Fe3O4纳米粒子和聚丙烯酰胺水凝胶，所述Fe3O4纳米粒子均匀分散于聚丙烯酰胺水凝胶中，浓度在1mg/ml～50mg/ml之间，所述Fe3O4纳米粒子呈一维链状排列，所述光子晶体薄膜的灵敏度，即压力下的波长移动范围，在200nm/0.5kPa至145nm/300kPa之间；机械响应光谱范围为462nm至662nm；溶剂响应光谱范围为473nm至662nm。本专利技术提供的光子晶体薄膜，其具有单一的结构色，在不同的机械条件或溶剂条件下，波长变化明显，呈现出裸眼可见的颜色变化，便于裸眼检测。所述光子晶体薄膜，可通过调节制备过程中聚丙烯酰胺单体的含量，调节其灵敏度和压力响应范围，做到灵敏度和压力响应范围可调控，适用于不同的裸眼检测应用。本专利技术提供的光子晶体薄膜，其制备方法，包括以下步骤：(1)水凝胶光子晶体前体的制备：将Fe3O4纳米粒子、丙烯酰胺、甲叉丙烯酰胺和光引发剂均匀分散于有机溶液中，得到水凝胶光子晶体前体的悬浊液，使得每毫升光子晶体水凝胶前体中Fe3O4纳米粒子1mg至50mg，丙烯酰胺100mg至600mg，甲叉丙烯酰胺1mg至20mg，光引发剂0.1mg至1mg；所述有机溶剂为乙二醇，其作用是防止Fe3O4纳米粒子在磁场下发生分离。所述Fe3O4纳米粒子按照如下方法制备：将二茂铁，双氧水溶解在丙酮中，得到溶液，使得所述溶液中二茂铁浓度在0.001mg/ml至0.05mg/ml之间，双氧水浓度在0.01mg/ml至0.1mg/ml之间；在100～500℃下反应10～80小时,反应完全后，自然冷却至室温,分离固体得到的Fe3O4纳米粒子，清洗后得到所述Fe3O4纳米粒子。(2)固化光子晶体薄膜的制备：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光子晶体薄膜，其特征在于，包括Fe3O4纳米粒子和聚丙烯酰胺水凝胶，所述Fe3O4纳米粒子均匀分散于聚丙烯酰胺水凝胶中，浓度在1mg/ml至50mg/ml之间，所述Fe3O4纳米粒子呈一维链状排列，所述光子晶体薄膜的灵敏度在200nm/0.5kPa至145nm/300kPa之间。

【技术特征摘要】
1.一种光子晶体薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)光子晶体水凝胶前体的制备：将Fe3O4纳米粒子、丙烯酰胺、甲叉丙烯酰胺和光引发剂均匀分散于有机溶液中，得到水凝胶光子晶体前体的悬浊液，使得每毫升水凝胶光子晶体前体中含有Fe3O4纳米粒子1mg至50mg，丙烯酰胺100mg至600mg，甲叉丙烯酰胺1mg至20mg，光引发剂0.1mg至1mg；(2)固化光子晶体薄膜的制备：将步骤(1)中获得的水凝胶光子晶体前体的悬浊液铺设成150μm至300μm的薄膜；加载300高斯至2000高斯的磁场，使得所述薄膜显色，得到显色薄膜；照射紫外光使得所述显色薄膜固化，固化光子晶体薄膜；(3)水凝胶光子晶体薄膜的制备：将...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱锦涛，贾晓潞，王建颖，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42