聚合物-納米SiO2復(fù)合乳液構(gòu)筑的光子晶體及結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、光子晶體作為一種具有控制光子傳播特性的新型材料，已成為國(guó)內(nèi)外材料學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于光電集成、光纖通信、檢測(cè)、傳感器、太陽(yáng)能等領(lǐng)域。目前制備光子晶體的方法主要為機(jī)械精密法、半導(dǎo)體光刻法以及膠體粒子組裝法。與機(jī)械精密法以及半導(dǎo)體制造法相比，膠體粒子組裝法具有成本低、方法簡(jiǎn)單以及功能可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，在光子晶體制備和研究中得到廣泛應(yīng)用。目前用于光子晶體制造的膠體粒子主要為聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和二氧化硅等硬粒子，因而制備的光子晶體性

2、脆，易開(kāi)裂，力學(xué)強(qiáng)度差，而且制備時(shí)間長(zhǎng)，工藝繁瑣。為提高光子晶體力學(xué)強(qiáng)度，本論文以聚合物軟粒子和二氧化硅硬粒子為主要研究對(duì)象，發(fā)揮有機(jī)-無(wú)機(jī)組分協(xié)同作用，制備出具有帶隙特征的、且有較高力學(xué)性能的光子晶體材料。為了克服傳統(tǒng)膠體粒子自組裝過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷而使合成光子晶體膜結(jié)構(gòu)色膜不如天然光子晶體鮮艷的缺點(diǎn)，本文在聚合物軟粒子和二氧化硅硬粒子的二元粒子自組裝過(guò)程中，摻入具有全波段光子吸收性能的炭黑納米顆粒參與自組裝，獲得具有高飽和度的光子晶體

3、結(jié)構(gòu)色膜大面積制備技術(shù)。具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　(1)為制備出具有力學(xué)強(qiáng)度的光子晶體球，通過(guò)高壓靜電噴射法，將聚合物/納米二氧化硅復(fù)合乳液分散到油性溶劑中，在表面活性劑作用下，形成穩(wěn)定的乳液液滴，隨著液滴中水分的蒸發(fā)，液滴中的聚合物乳膠粒子和納米二氧化硅粒子在毛細(xì)管力、靜電斥力以及界面張力驅(qū)動(dòng)下，自組裝形成光子晶體球。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、光學(xué)顯微鏡和微區(qū)光譜測(cè)量系統(tǒng)等儀器進(jìn)行表征和分析，結(jié)果表明，制備的光子晶體球具有良好

4、的力學(xué)性能，能經(jīng)受擠壓和彎曲，產(chǎn)生的變形具有可恢復(fù)性，易于加工和大面積應(yīng)用。通過(guò)調(diào)節(jié)電場(chǎng)作用大小、溶劑特性、基材種類(lèi)以及聚合物粒子表面電荷大小，可以獲得粒徑形貌可控的光子晶體球。溶劑密度越大，基材與乳液液滴接觸角越大，聚合物粒子表面電荷越強(qiáng)，光子晶體球的球形度越好。該技術(shù)為構(gòu)筑具有力學(xué)性能、且形貌可控的大面積光子晶體球提供了新的思路。
　　(2)為提高聚合物/二氧化硅納米復(fù)合乳液制備的光子晶體結(jié)構(gòu)色膜的色相飽和度，降低膜泛白性，將

5、具有全波段光子吸收性能的炭黑粒子引入乳液體系，采用聚合物/二氧化硅/炭黑納米復(fù)合乳液構(gòu)筑高飽和度光子晶體結(jié)構(gòu)色膜，并考察了炭黑對(duì)膠體晶體膜的結(jié)構(gòu)、色相、光學(xué)特性等性能的影響。結(jié)果表明，摻雜炭黑后的光子晶體結(jié)構(gòu)色膜色相飽和度顯著提高，隨著炭黑用量增加，膜的亮度下降；膜的色相飽和度與炭黑用量有關(guān)，隨著納米二氧化硅用量增加，反射譜譜峰位置出現(xiàn)紅移；通過(guò)調(diào)控納米二氧化硅和炭黑含量，可獲得光澤度和色度可調(diào)的光子晶體結(jié)構(gòu)色膜大面積制備技術(shù)。通過(guò)炭黑

6、摻雜獲得亮度可調(diào)、色度可控的光子晶結(jié)構(gòu)色彩膜制備技術(shù)，是國(guó)內(nèi)外首次研究。
　　(3)為減少光子晶體結(jié)構(gòu)色膜的制備缺陷，提高色相飽和度，本論文設(shè)計(jì)了溫度和濕度可控、可觀測(cè)復(fù)合乳液自組裝過(guò)程動(dòng)力學(xué)的自組裝設(shè)備。采用SEM、EDX、LAB、光譜測(cè)試系統(tǒng)等方法對(duì)膠體晶體膜的形貌、光學(xué)性質(zhì)、膜色度等進(jìn)行了表征，結(jié)果表明，成膜溫度對(duì)復(fù)合乳液干燥速度影響大，溫度越高，干燥速度越快；隨著溫度升高，光子晶體結(jié)構(gòu)色膜的反射譜譜峰位置藍(lán)移；成膜溫度過(guò)低