一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法，包括：将金属离子化合物配制成浓度0.1wt％～5wt％的溶液，然后加入含有功能基团的单分散微球溶液中，超声分散均匀，在恒温恒湿环境或恒温环境条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。本发明专利技术在消除光子晶体裂纹的同时，又不影响制备得到的光子晶体的光学质量；工艺简单，节约了制备成本，且普适性强，具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光子晶体领域，特别涉及一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法。
技术介绍
光子晶体是由折射率不同的两种或多种介电材料在空间周期性排列而成有序结构。例如孔雀的羽毛，蝴蝶的翅膀，绚丽的蛋白石，它们均是在自然界广泛存在的光子晶体。这种来源于他们自身的纳米，微米周期结构的绚丽的“结构色彩”，具有永不褪色的特点，是新一代显示设备和光学器件的理想材料。因此，如何能够人工制备光子晶体是科学家们一直努力的目标。传统的制备光子晶体的方法包括物理光刻的方法和化学自组装的方法，其中自组装方法由于成本低廉、操作简便，是目前制备光子晶体的常用方法。随着溶剂的挥发，微球逐渐相互靠近并产生紧密堆积形成光子晶体。但是在自组装过程中，由于微球之间的相互作用力较弱，随着溶剂的蒸发，组装基材对微球的粘附力增加，从而不可避免的产生裂纹。这严重影响了光子晶体的质量，同时限制了所制备的光子晶体在光学器件等领域的应用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法，该方法在消除光子晶体裂纹的同时，又不影响制备得到的光子晶体的光学质量；工艺简单，节约了制备成本，且普适性强，具有良好的应用前景。本专利技术的一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法，包括：将金属离子化合物配制成浓度0.1wt％～5wt％的水溶液，然后加入含有功能基团的单分散微球溶液中，超声分散均匀，在恒温恒湿环境或恒温环境条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。所述金属离子为Zn2+、Al3+、Ca2+、Mg2+、Cu2+、Zr4+中的一种或几种等具有良好络合能力的离子。所述功能基团为羧基、氨基、羟基、羰基中的一种或几种。所述功能基团应为易与金属离子形成配位络合物、且易于被修饰的功能基团。所述含有功能基团的单分散微球为聚合物微球、无机纳米微球或无机纳米微球为核、聚合物为壳的核壳结构微球。所述的单分散微球为市售或基于文献合成(AdvancedMaterials,2014,26,1058；Angew.Chem.Int.Ed.2012,51,9297；Macromol.Chem.Phys.2006,207,596；Chem.Mater.,2000,12,508；Colloid.Polym.Sci.1974,252,464.)。所述聚合物为聚苯乙烯-聚丙烯酰胺、聚-N-异丙基丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸、聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸、聚丙烯酰胺中的一种或几种的共聚物。所述无机纳米微球为二氧化硅、二氧化钛、四氧化三铁、氧化铁、碳黑、稀土氧化物中的一种或几种，或者其他无机纳米材料。所述含有功能基团的单分散微球的粒径范围为100～500nm；浓度为1wt％～10wt％；单分散微球的单分散性小于5％。所述恒温恒湿环境的条件为：温度40℃～80℃，湿度40％～90％；所述恒温环境的条件为：温度40℃～80℃。本专利技术提出了利用微球自组装过程中微球表面的功能基团与金属离子之间的络合作用来消除裂纹的新思路。通过加入具有不同络合常数的金属离子，与微球共组装得到高质量无裂纹的光子晶体。本专利技术的创新性在于：利用金属离子与微球表面功能基团之间强的络合作用力来抵消光子晶体组装过程中基材对组装单元的粘附力，在消除裂纹的同时又不影响制备得到的光子晶体的光学质量，得到一种简便的制备大面积无裂纹光子晶体的新思路。目前本专利技术中涉及到的研究方法尚未见文献报道。本专利技术通过对单分散微球表面进行功能基团修饰后，利用功能基团与金属离子之间形成配位键的络合作用力，抵消掉由于基材的粘附力和微球收缩而产生的拉伸应力，制备得到大面积无裂纹的光子晶体。有益效果本专利技术在消除光子晶体裂纹的同时，又不影响制备得到的光子晶体的光学质量；工艺简单，节约了制备成本，且普适性强，具有良好的应用前景。附图说明图1a为本专利技术制备的无裂纹光子晶体的光学显微镜照片；图1b和1c均为制备的无裂纹光子晶体的扫描电镜照片；图1d为制备的无裂纹光子晶体的傅里叶变换谱图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1单分散的聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸乳胶粒水溶液，乳液粒径为100nm，浓度为1wt％，溶剂为水；碳酸锆氨作为锆离子的原料，调节溶液浓度为0.1wt％，然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在40℃的温度和40％的湿度条件下，随着溶液的不断加热，碳酸锆氨迅速分解出氨气和二氧化碳，金属离子游离出来并与羧基络合，增加了乳胶粒之间的相互作用力，平衡了乳胶粒组装过程中由于基材的粘附力，从而消除了裂纹。从图1a中可
以看到，在整个面积上，裂纹被消除；从图1b和1c可以看到，微球在微观结构上呈现规整的周期性排列；从图1d可以看到，点阵结构也证实了微观上的周期性结构。实施例2单分散的聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸乳胶粒水溶液，乳液粒径为500nm，浓度为10wt％，溶剂为水；碳酸锆氨作为锆离子的原料，调节溶液浓度为5wt％，然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在80℃的温度和80％的湿度条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。实施例3单分散的聚苯乙烯-聚丙烯酰胺乳胶粒水溶液，乳液粒径为500nm，浓度为1wt％，溶剂为水；卤化铜作为铜离子的原料，调节溶液浓度为5wt％，然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在60℃的温度和60％的湿度条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。实施例4单分散的聚苯乙烯-聚丙烯酰胺乳胶粒水溶液，乳液粒径为100nm，浓度为10wt％，溶剂为水；卤化铜作为铜离子的原料，调节溶液浓度为0.1wt％，然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在80℃的温度和80％的湿度条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。实施例5单分散的聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸乳胶粒水溶液，乳液粒径为100nm，浓度为1wt％，溶剂为水；卤化铝作为铝离子的原料，调节溶液浓度为0.1wt％，然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在80℃的温度和80％的湿度条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。实施例6单分散的聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸乳胶粒水溶液，乳液粒径为500nm，浓度为10wt％，溶剂为水；卤化铝作为铝离子的原料，调节溶液浓度为5wt％，然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在40℃的温度和40％的湿度条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。实施例7单分散的聚-N-异丙基丙烯酰胺乳胶粒水溶液，乳液粒径为500nm，浓度为1wt％，溶剂为水；卤化钙作为钙离子的原料，调节溶液浓度为0.1wt％，然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在60℃的温度和60％的湿度条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。实施例8单分散的聚-N-异丙基丙烯酰胺乳胶粒水溶液，乳液粒径为100nm，浓度为10wt％，溶剂为水；卤化钙作为钙离子的原料，调节溶液浓度为5wt％，然后加入上述微球溶液中，超声分散均匀，在40℃的温度和40％的湿度条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。实施例9单分散的聚丙烯酰胺乳胶粒水溶液，乳液粒径为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法，包括：将金属离子化合物配制成浓度0.1wt％～5wt％的水溶液，然后加入含有功能基团的单分散微球溶液中，超声分散均匀，在恒温恒湿环境或恒温环境条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。

【技术特征摘要】
1.一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法，包括：将金属离子化合物配制成浓度0.1wt％～5wt％的水溶液，然后加入含有功能基团的单分散微球溶液中，超声分散均匀，在恒温恒湿环境或恒温环境条件下，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。2.根据权利要求1所述的一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法，其特征在于：所述金属离子为Zn2+、Al3+、Ca2+、Mg2+、Cu2+、Zr4+中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法，其特征在于：所述功能基团为羧基、氨基、羟基、羰基中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法，其特征在于：所述含有功能基团的单分散微球为聚合物微球、无机纳米微球或无机纳米微球为核、聚合物为壳的核壳结构微球。5.根据权利要求4所述的一种大面积无裂纹光子...

【专利技术属性】
技术研发人员：石小迪，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海;31