一种浸润控制薄膜折射率的动态光子晶体图案的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种浸润控制薄膜折射率的动态光子晶体图案的制备方法。包括以下步骤：先在透明基材上制备二维光子晶体；再将丙烯酸类单体、光敏剂和交联剂混合均匀后得到混合溶液，使二维光子晶体与混合溶液相接触，并在透明基材上覆盖有图案的掩膜板，于紫外光下固化，剥离薄膜，得到通过浸润控制图案化的胶体光子晶体复合膜；将此复合膜放入响应溶剂中，或者将响应溶剂喷洒到复合膜上，得到动态光子晶体图案。本发明专利技术通过掩膜板来控制反应单体的聚合程度，从而控制不同区域的浸润性，控制薄膜不同区域的折射率，使得薄膜遮挡区域出现更强的布拉格衍射光，并在该区域显示图案。该方法工艺简单，反应条件容易控制，图案化响应快。

A method of preparing dynamic photonic crystal patterns for controlling refractive index of thin films

The invention provides a method for preparing a dynamic photonic crystal pattern for controlling the refractive index of thin films. The process includes the following steps: firstly, two-dimensional photonic crystals are prepared on transparent substrates, then the acrylic monomers, photosensitizers and crosslinkers are mixed evenly to obtain a mixed solution, so that the two-dimensional photonic crystals are in contact with the mixed solution, and a patterned mask is covered on the transparent substrates, cured under ultraviolet light, and the film is peeled off. The dynamic photonic crystal pattern was obtained by wetting the patterned colloidal photonic crystal composite film into the responsive solvent or spraying the responsive solvent on the composite film. The invention controls the polymerization degree of the reaction monomer through the mask, thereby controlling the wettability of different regions, controlling the refractive index of different regions of the film, making the film shielding region appear stronger Bragg diffraction light, and displaying patterns in the region. The process is simple, the reaction conditions are easy to control, and the patterned response is fast.

【技术实现步骤摘要】
一种浸润控制薄膜折射率的动态光子晶体图案的制备方法
本专利技术属于高分子材料
尤其涉及通过聚合反应程度实现浸润控制薄膜折射率的方法，更具体地，涉及一种浸润控制薄膜折射率的动态光子晶体图案的制备方法。
技术介绍
材料表面图案化技术是指在材料表面构建微纳结构，从而对材料表面的相关特性进行调控的技术，其在超分子科学、材料科学、微电子及细胞生物学等相关学科发展领域均有着重要的研究意义和应用价值，它给现代科学
带来了新的发展空间和机遇。在传感检测、光子墨水、显示、防伪等方面有着重要的应用前景。图案化区域的光子带隙能够随外界刺激而变化被称为响应性光子晶体图案化。主要原理是在化学或者物理的信号刺激下（如温度、pH值、电磁场），通过控制光子晶体的介电常数或周期产生变化，从而引起光子带隙的改变。这些改变主要包括设计或调节墨水溶剂的种类、掩膜板控制反应程度及表面浸润性、刻蚀法、电磁场响应、蒸气响应及应力响应等。响应性光子晶体图案化技术最初主要通过以聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）为基质的PS复合光子晶体，在硅氧烷溶剂中的体积膨胀来制备可重复读写的光子晶体纸；随后出现采用掩膜板来控制紫外光固化体系的反应程度，通过冲洗未反应单体等方式来改变布拉格衍射，从而实现图案化控制。该过程简单，操作性强，但溶剂墨水及掩模板法都局限于弹性体材料。申请号为CN201210060019.6的专利，采用单分散乳胶粒、湿度响应性功能单体、N-异丙基丙烯酰胺单体、交联剂、引发剂、高沸点助剂和水的混合液为墨水，通过喷墨打印在具有浸润性的基材的表面上，得到由湿度响应的微滴单元构成的图案化的胶体光子晶体复合膜，但该方法仅限于聚N-异丙基丙烯酰胺类湿度响应复合材料，应用范围较窄。申请号为CN201610074370.9的专利，制备的结构色图案能够在外加磁场作用下变色，且颜色具有角度依赖性，去除外界磁场后，图案颜色消失，该防伪图案具有不易仿制的特点，但该实验过程繁琐，不仅电磁设备价格昂贵而且受环境限制。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有响应性光子晶体图案化研究的不足，提供一种浸润控制薄膜折射率的动态光子晶体图案的制备方法。该制备方法通过采用部分透光的掩膜板来控制反应单体的聚合程度，从而控制不同区域的浸润性，进而控制薄膜材料不同区域的折射率，薄膜与二维光子晶体的折射率差的增大，使得遮挡区域出现更强的布拉格衍射光，并在该区域显示图案。该方法制备工艺简单，反应条件容易控制，图案化响应快。本专利技术的第一个目的在于，提供一种浸润控制薄膜折射率的动态光子晶体图案的制备方法。本专利技术的另一个目的在于，提供利用上述的制备方法中步骤S1-S2所制备得到的通过浸润控制图案化的胶体光子晶体复合膜。本专利技术的再一个目的在于，提供上述的通过浸润控制图案化的胶体光子晶体复合膜在智能显色和灵敏检测等领域的应用。本专利技术上述目的通过以下技术方案实现：一种浸润控制薄膜折射率的动态光子晶体图案的制备方法，包括以下步骤：S1.先将水平铺在透明基材上，再将胶体微球溶液均匀分散在水面上，静止后，把水吸干，自然风干1～10h，再于50～80℃烘干1～8h，得到排列规整的二维光子晶体；S2.将丙烯酸类单体、光敏剂和交联剂混合均匀后得到混合溶液，将该混合溶液移入模具中，再将步骤S1中带二维光子晶体的透明基材倒扣在模具上，使二维光子晶体与混合溶液相接触，并在透明基材上覆盖带有图案的掩膜板，于紫外光下固化1～120min，待反应完毕，剥离薄膜，得到通过浸润控制图案化的胶体光子晶体复合膜；S3.将上述的胶体光子晶体复合膜放入响应溶剂中，或者将响应溶剂喷洒到上述的胶体光子晶体复合膜上，得到浸润控制薄膜折射率的动态光子晶体图案，可以在同一画面不同区域实现图案化多种颜色的同时呈现。光子晶体是不同的电介质在一维、二维或三维空间上形成的周期性排列，光在此周期介质中传播会发生布拉格衍射。要想光子带隙位置发生改变，除了与原料本身的性质有关，还和光子晶体的晶格参数和平均折射系数有关，也就是与光子晶体介质的折射率有关。遮掩的区域反应程度低，溶剂在该区域的渗透能力更强，通过溶剂的作用，介质的折射率改变，布拉格衍射光增强。本专利技术采用折射率接近的光子晶体和聚合单体，通过部分透光的掩膜板控制聚合单体的反应程度，从而控制不同区域的浸润情况（相应溶剂的渗透），实现溶剂对光子晶体图案在硬材料的动态响应。优选地，步骤S1中，静止时间为3～15min。优选地，步骤S1中，将水平铺在透明基材上，将载有胶体微球的玻璃片以30°～60°（优选45°）斜插入水中并固定，用针头挤滴胶体微球溶液，当微球溶液均匀地铺满整个水面后，静止3～15min，在水的边沿用海绵快速把水吸干，先自然风干1～10h，再于50～80℃烘干1～8h，得到排列规整的二维光子晶体。优选地，步骤S2中紫外光下固化的条件为用波长为200～400nm的紫外灯作为光源，功率为30W～1KW，固化温度为25℃。优选地，于紫外光下固化的时间优选为60～90min。本专利技术中，所述的混合溶液总体积指的是丙烯酸类单体、光敏剂和交联剂组成的混合溶液的体积之和。优选地，所述的丙烯酸类单体为甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、丙烯酸十八酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酸十六酯或丙烯酸聚氨酯中的一种或几种。优选地，以体积比计，所述的丙烯酸类单体的添加量占混合溶液总体积的85%～99.8%。更优选地，以体积比计，所述的丙烯酸类单体的添加量占混合溶液总体积的89%～99%。最优选地，以体积比计，所述的丙烯酸类单体的添加量占混合溶液总体积的95%～98%。优选地，所述的光敏剂为苯基亚磷酸二乙酯、1-羟基环乙基苯甲酮、三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、二苯甲酮、2,2-二羟甲基丙酸、2,2-二羟甲基丁酸、2-甲基二苯甲酮或2-羟基-2-甲基苯丙酮中的一种或几种。优选地，以质量体积比计，所述的光敏剂的添加量占混合溶液总体积的0.1%～5%。更优选地，以质量体积比计，所述的光敏剂的添加量占混合溶液总体积的0.5%～4.5%。最优选地，以质量体积比计，所述的光敏剂的添加量占混合溶液总体积的1%～4%。优选地，所述的交联剂为三丙二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯或其组合。优选地，以体积比计，所述的交联剂的添加量占混合溶液总体积的0.1%～10%。更优选地，以体积比计，所述的交联剂的添加量占混合溶液总体积的0.5%～8%。最优选地，以体积比计，所述的交联剂的添加量占混合溶液总体积的1%～4%。如果丙烯酸类单体的添加量过高，交联剂及光敏剂用量少，则会导致整体聚合度偏低，使得掩膜板区域内外的溶剂渗透差异性降低，且掩膜版区域内外的布拉格衍射光的强弱差异不明显，薄膜整体显示颜色，图案化效果不明显。如果丙烯酸类单体添加量过低，交联剂及光敏剂用量过多，则会导致整体聚合度高，体系高度交联，溶剂渗透性差，布拉格衍射光强度低，薄膜整体不显示颜色，图案化效果不明显。优选地，所述的胶体微球溶液的质量分数为0.5～5wt%；更优选地，所述的胶体微球溶液的质量分数为2.5wt%。优选地，所述的胶体微球溶液的溶剂为水、乙醇或其组合。优选地，所述的胶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种浸润控制薄膜折射率的动态光子晶体图案的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1. 先将水平铺在透明基材上，再将胶体微球溶液均匀分散在水面上，静止后，把水吸干，自然风干1～10 h，再于50～80℃烘干1～8 h，得到排列规整的二维光子晶体；S2. 将丙烯酸类单体、光敏剂和交联剂混合均匀后得到混合溶液，将该混合溶液移入模具中，再将步骤S1中带二维光子晶体的透明基材倒扣在模具上，使二维光子晶体与混合溶液相接触，并在透明基材上覆盖带有图案的掩膜板，于紫外光下固化1～120 min，待反应完毕，剥离薄膜，得到通过浸润控制图案化的胶体光子晶体复合膜；S3. 将上述的胶体光子晶体复合膜放入响应溶剂中，或者将响应溶剂喷洒到上述的胶体光子晶体复合膜上，得到浸润控制薄膜折射率的动态光子晶体图案。

【技术特征摘要】
1.一种浸润控制薄膜折射率的动态光子晶体图案的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.先将水平铺在透明基材上，再将胶体微球溶液均匀分散在水面上，静止后，把水吸干，自然风干1～10h，再于50～80℃烘干1～8h，得到排列规整的二维光子晶体；S2.将丙烯酸类单体、光敏剂和交联剂混合均匀后得到混合溶液，将该混合溶液移入模具中，再将步骤S1中带二维光子晶体的透明基材倒扣在模具上，使二维光子晶体与混合溶液相接触，并在透明基材上覆盖带有图案的掩膜板，于紫外光下固化1～120min，待反应完毕，剥离薄膜，得到通过浸润控制图案化的胶体光子晶体复合膜；S3.将上述的胶体光子晶体复合膜放入响应溶剂中，或者将响应溶剂喷洒到上述的胶体光子晶体复合膜上，得到浸润控制薄膜折射率的动态光子晶体图案。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，以体积比计，所述的丙烯酸类单体的添加量占混合溶液总体积的85%～99.8%，所述的交联剂的添加量占混合溶液总体积的0.1%～10%；以质量体积比计，所述的光敏剂的添加量占混合溶液总体积的0.1%～5%；其中，所述的混合溶液总体积指的是丙烯酸类单体、光敏剂和交联剂组成的混合溶液的总体积。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述的胶体微球溶液的质量分数为0.5～5wt%；所述的胶体微球溶液的溶剂为水和/或乙醇。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述的胶体微球的粒径为80～1100nm；所述的胶体微球选自单分散聚苯乙烯胶体微球、...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海露，洪炜，陈旭东，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44