一种均质光子晶体涂层的构筑工艺制造技术

本发明专利技术涉及一种均质光子晶体涂层的构筑工艺。其特征在于：以单分散的胶体粒子、低沸点溶剂和高沸点溶剂的混合物为施工墨水，通过喷涂、刮涂或喷墨打印构筑而成的。本发明专利技术具有简单快速、成本低廉、可大面积施工的特点。所制备光子晶体图案化涂层可应用到光子晶体滤波片、光子晶体光纤、结构色涂料以及传感、显示、编码等重要领域。

Construction of a homogeneous photonic crystal coating

The invention relates to a construction process of homogeneous photonic crystal coating. It is characterized by the mixture of monodisperse colloidal particles, low boiling point solvents and high boiling point solvents as the construction ink, and is constructed by spraying, scraping, or ink-jet printing. The invention has the characteristics of simple, fast, low cost and large area construction. The patterned coatings prepared by photonic crystals can be applied to photonic crystal filters, photonic crystal fibers, structural color coatings, and sensing, display, coding and other important areas.

【技术实现步骤摘要】
一种均质光子晶体涂层的构筑工艺
本专利技术设计均质光子晶体涂层的构筑，涉及一种均质光子晶体涂层的构筑工艺，特别涉及利用胶体粒子墨水组成及施工工艺解决胶体分散液墨水印刷过程的“咖啡环”效应，从而获得高质量光子晶体图案，并实现均质光子晶体涂层在高效光学显示器件中的应用。
技术介绍
胶体光子晶体是由单分散无机或有机胶体粒子，在特定条件下自组装而形成的二维或三维有序周期性排列结构。由于其具有特殊的光学带隙特征，因而在显示、化学和生物传感及编码等领域有着重要的应用前景。其中如何将光子晶体的图案化，是实现其在这些领域应用的重要前提。目前，研究者已经开发出了各种基于微滴单元来实现胶体粒子在空间维度的操控的技术。该技术将“直写”和胶体粒子“自组装”相结合，是一种高效、低沉本构筑图案化光子晶体的手段。但是，由于微滴干燥过程中表面挥发速度不同从而产生向外的液体流动，造成最终胶体粒子的非均匀分布，即“咖啡环”效应。该效应极大的影响了光子晶体图案的饱和度和分辨率，限制了其进一步的应用。到目前为止，抑制“咖啡环”效应并实现均质光子晶体涂层的构筑，主要是通过调控基材浸润性或粘附力实现的。该过程涉及对基地筛选或改性，因而应用上受到一定的限制。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种利用调控胶体墨水组分及组装工艺实现在各类基地上构筑高质量图案化光子晶体涂层的均质光子晶体涂层的构筑工艺。本专利技术的技术方案为：一种均质光子晶体涂层的构筑工艺，其特征在于：以单分散的胶体粒子、低沸点溶剂和高沸点溶剂的混合物为施工墨水，通过喷涂、刮涂或喷墨打印构筑而成的。优选上述的施工墨水中单分散的胶体粒子的质量分数为10％～50％；高沸点溶剂占低沸点溶剂的质量百分比为4％～20％。优选上述的高沸点溶剂为乙二醇、二乙二醇、甲酰胺或乙酰胺中的至少一种；所述的低沸点溶剂为水、乙醇或甲醇中的至少一种。本专利技术以粒径位于150nm-300nm的单分散的胶体粒子为构筑单元，其周期性排列形成光子带隙位于300-700nm之间的光子晶体。优选上述的单分散的粒子为单分散的聚合物粒子；其中单分散聚合物粒子为单分散聚苯乙烯粒子或单分散聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。本专利技术在25-40℃的温度条件下，将一种或多种施工墨水分次施工、或置于不同的液腔中同时施工，利用喷涂、刮涂、喷墨打印设备，将其分散成微米维度的液滴或液膜，沉积到各种固体基材表面的特定位置，干燥后得到的高质量光子晶体图案。上述喷涂、刮涂或喷墨打印的设备分别为喷涂设备、涂膜丝棒或喷墨打印设备。优选所述的喷涂时间为30-60s。优选所述的刮涂时所用的丝棒为30-90μm刻蚀深度。首先，将墨水平铺在PET膜上，然后使用丝棒将墨水均匀刮涂至整个基底。待水分挥发后，在PET上即可形成均匀的光子晶体涂层。优选喷墨打印所用喷墨打印机喷嘴直径为60-90μm，电压设置为55-65v，腔体压力设置为-7～-9Pa，点间距设定为480-520μm。所述的分散采用超声震荡方式。优选所述的基底材料包括但不限于玻璃片、硅片、金属基材(如铜/铝/金等)或聚合物基材(PC/PMMA/PP等)。有益效果：本专利技术制备的均质光子晶体图案微观上是由单分散胶体粒子高度有序堆积而成的，具有明显的光学带隙。本专利技术具有简单快速、成本低廉、可大面积施工的特点。所制备光子晶体图案化涂层可应用到光子晶体滤波片、光子晶体光纤、结构色涂料以及传感、显示、编码等重要领域。附图说明图1为本专利技术实施例1中使用喷涂设备分别对粒径为190nm、215nm、272nm的聚苯乙烯胶体粒子分散液进行喷涂，得到的光子晶体涂层图；图中，从左到右分别为190nm、215nm、272nm的聚苯乙烯胶体粒子喷涂得到的红色、绿色和蓝紫色结构色的光子晶体涂层。图2为实施例3的刮涂操作示意图；图3为实施例5中将粒径为190nm、215nm、272nm的单分散聚苯乙烯胶体粒子分散液置于喷墨打印设备的液腔中，向玻璃基地上进行沉积，得到的图案化光子晶体涂层图；从左到右分别为190nm、215nm、272nm的聚苯乙烯胶体粒子喷涂得到的蓝紫色、绿色和红色结构色的光子晶体图案。具体实施方式实施例1.27℃条件下，将粒径为190nm、215nm、272nm的单分散聚苯乙烯胶体粒子分散于二乙二醇和乙醇的混合溶液中，制成胶体粒子质量分数为15wt％的分散液。其中，二乙二醇和乙醇的质量比为1：5。将得到的乳液置于喷涂设备的液腔中，向玻璃基底上进行喷涂，喷涂时间为30s，干燥后即可得到以单分散聚苯乙烯粒子为构筑单堆积而成的具有无角度依赖特征的光子晶体薄膜材料。喷涂所得到的光子晶体膜如图1所示，所制得的光子晶体膜结构色均匀，表面平整无缺陷。而且在喷涂过程中，通过调节不同粒径的胶体粒子的喷涂顺序，可以制得全可见光谱的光子晶体膜。从左到右分别为190nm、215nm、272nm的聚苯乙烯胶体粒子喷涂得到的红色、绿色和蓝紫色结构色的光子晶体涂层。实施例2.35℃条件下，将粒径为180nm、232nm、256nm的单分散聚苯乙烯胶体粒子分别分散于乙二醇和水的混合溶液中，制成胶体粒子质量分数为20wt％的分散液。其中，乙二醇和水的质量比为1：9。首先选择其中一种胶体粒子的分散液置于喷涂设备的液腔中，向PMMA塑料膜基地上进行喷涂，干燥后再进行下一种胶体粒子分散液进行喷涂，其中，每次喷涂时间为45s。通过控制不同粒径的胶体粒子的喷涂顺序，可以实现各种色彩光子晶体涂层的构筑。该涂层是以不同粒径单分散聚苯乙烯粒子为构筑单堆积而成的具有无角度依赖特征的光子晶体薄膜材料。实施例3.25℃条件下，将粒径为272nm的单分散聚苯乙烯胶体粒子分别分散于乙二醇和水的混合溶液中，制成质量分数为40wt％胶体粒子的分散液。其中，乙二醇和水的质量比为1：20。将该分散液置于刮涂设备的液腔中，然后选用30μm刻蚀深度的丝棒向纸张上进行刮涂。待水分干燥，实现光子晶体涂层的构筑。该均质光子晶体涂层是由单分散聚苯乙烯粒子有序堆积而成的光子晶体点阵构成。刮涂操作过程如图2所示，可以看出该方法具有设备简单、成膜速度快的优点。实施例4.38℃条件下，将粒径为232nm的单分散聚甲基丙烯酸甲酯胶体粒子分散于甲酰胺、乙醇和水的混合溶液中，制成胶体粒子质量分数为35wt％的分散液。其中，甲酰胺、乙醇和水的质量比为1：10：:13。将该分散液置于喷墨打印设备的液腔中，设置喷墨打印所用喷嘴直径为65μm，电压为58v，腔体压力-8Pa，点间距500μm。向玻璃基地上进行沉积。通过程序控制喷射的微米级液滴的沉积位置，即可以实现各种图案化光子晶体涂层的构筑。该均质光子晶体涂层是由单分散聚甲基丙烯酸甲酯粒子有序堆积而成的光子晶体点阵构成。打印所得的光子晶体膜禁带位置位于550nm，呈现黄绿色结构色，色彩艳丽，表面均匀无缺陷。实施例5.30℃条件下，将粒径为190nm、215nm、272nm的单分散聚苯乙烯胶体粒子分别分散于乙二醇和水的混合溶液中，制成三种质量分数为27wt％胶体粒子的分散液。其中，乙二醇和水的质量比为1：15。将该分散液置于喷墨打印设备的不同液腔中，设置喷墨打印所用喷嘴直径为75μm，电压为63v，腔体压力-9Pa，点间距510μm。向玻璃基地上进行沉积。通过程序控制喷射的不同微本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种均质光子晶体涂层的构筑工艺，其特征在于：以单分散的胶体粒子、低沸点溶剂和高沸点溶剂的混合物为施工墨水，通过喷涂、刮涂或喷墨打印构筑而成的。

【技术特征摘要】
1.一种均质光子晶体涂层的构筑工艺，其特征在于：以单分散的胶体粒子、低沸点溶剂和高沸点溶剂的混合物为施工墨水，通过喷涂、刮涂或喷墨打印构筑而成的。2.根据权利1所述的构筑工艺，其特征在于：所述的施工墨水中单分散的胶体粒子的质量分数为10％～50％；高沸点溶剂占低沸点溶剂的质量百分比为4％～20％。3.根据权利1所述的构筑工艺，其特征在于：所述的高沸点溶剂为乙二醇、二乙二醇、甲酰胺或乙酰胺中的至少一种；所述的低沸点溶剂为水、乙醇或甲醇中的至少一种。4.根据权利要求1所述的构筑工艺，其特征在于以粒径位于150nm-300nm的单分散的胶体粒子为构筑单元，其周期性排列形成光子带隙位于300-700nm之间的光子晶体。...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈苏，张静，朱志杰，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32