在超疏水生物体或超疏水仿生物体的表面制备无裂纹光子晶体的方法技术

本发明专利技术涉及在超疏水生物体或超疏水仿生物体的表面制备无裂纹光子晶体的方法。本发明专利技术采用将单分散微球分散在水中形成乳液，将乳液置于超疏水生物体或超疏水仿生物体的表面，依靠乳液中单分散微球自身的重力作用进行沉积，便可以在超疏水生物体或超疏水仿生物体的表面上制备得到由上述单分散微球自组装形成的高质量自支撑无裂纹蛋白石结构的光子晶体。将制备得到的高质量自支撑无裂纹蛋白石结构的光子晶体作为牺牲模板，在构成所述牺牲模板的单分散微球之间的空隙中填充功能性物质之后，再进一步除去所述的牺牲模板，就能够制备得到高质量自支撑无裂纹反蛋白石结构的光子晶体。本发明专利技术的制备方法简单，并且成本低廉、环境友好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高质量无裂纹光子晶体的制备方法，特别涉及在超疏水生物体或超疏水仿生物体的表面制备高质量自支撑无裂纹蛋白石结构的光子晶体，及制备高质量自支撑无裂纹反蛋白石结构的光子晶体的方法。
技术介绍
“光子晶体”这一概念首次被提出是在1987年，这种折光指数周期性排列的材料对光子具有特殊的调控能力，这一点使其在光学器件、全色显示、生化检测等领域具有广泛而深远的应用前景。早期光子晶体的制备多采用微加工的方法，这种方法较为复杂，且成本较高。并且近年来，由于微加工方法本身的技术瓶颈，这一传统的制备光子晶体的方法越来越难以满足光子晶体在可见光区以及更短波长范围内的应用。这时，通过胶体小球自组装制备得到光子晶体的方法，由于其操作方法简便，成本价格低廉，引起了研究人员的广泛而浓厚的研究兴趣。然而，通过胶体粒子自组装制备光子晶体的过程中，乳胶粒子会由于干燥收缩以及粒子间的相互作用而在基材表面发生移动，但基材与乳胶粒子间的黏滞力又阻止了乳胶粒子的移动，因此会在光子晶体的内部产生应力，并最终导致产生裂纹。这种裂纹的产生严重破坏了光子晶体的周期性结构，破坏了光子晶体的光学特性，极大地限制了其在各领域的实际应用 。研究者们为解决这一问题已经开展了一系列的工作。例如:采用特殊模板辅助自组装过程(c.J.Jin, N.P.Johnson, Nano Lett.2005，5，2646-2650)、在自组装之前将乳胶粒子通过高温进行预收缩(D.J.Norris, Appl.Phys.Lett.2004，84，3573-3575)以及避免干燥过程(T.Sawada, Adv.Funct.Mater.2005, 25 ;Τ.Sawada, Langmuir 2009,13315)等方法从防止乳胶粒收缩的角度，避免裂纹的产生；或者，采用在液体表面进行自组装(Zentel R.，Chem.Mater.2002，14，4023-4025)以及通过特殊物质诱导光子晶体从高堆积密度镜面向低堆积密度晶面转变(B.Hatton, L.Mishchenko, S.Davis, K.H.Sandhage,J.Aizenberg,PNAS, 2010,107, 23,10355)使乳胶粒子各向同性收缩，不在基材上发生移动，由此避免了光子晶体在自组装过程中产生裂纹的问题。然而，上述这些避免光子晶体裂纹的方法中，或多或少地存在以下几个缺点:1.成本相对较高，制备过程繁琐；2.对环境有污染，存在安全隐患；3.在低堆积密度晶面上虽然避免了裂纹，却没有解决高堆积晶面上裂纹的问题；4.都仅适用于某些特定的乳胶粒子，不具有普适性。为了进一步推动光子晶体的实际应用，简单、经济、环保、安全的普适性制备方法一直以来都是科研工作者不懈努力的研究方向。中科院化学所的宋延林研究组将单分散乳胶粒通过重力沉积方法，在采用特殊方法制备得到的物体超疏水表面上进行自组装，制备得到了大面积自支撑无裂纹的光子晶体。本专利技术在该工作的基础上，简化甚至省去了制备物体超疏水表面的步骤，将乳胶粒子通过重力沉积方法组装在超疏水生物体或超疏水仿生物体的表面上，制备得到了大面积、高质量、自支撑、无裂纹的光子晶体，本专利技术操作简单、成本低廉、环境友好，并且具有非常好的普适性，这对于推动光子晶体的实际应用具有重大的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种操作简单、成本低廉、环境友好，并且具有很好普适性的在超疏水生物体或超疏水仿生物体的表面制备闻质量自支撑无裂纹蛋白石结构的光子晶体，及制备高质量自支撑无裂纹反蛋白石结构的光子晶体的方法。本专利技术的:将单分散微球分散在水中形成乳液，在温度为5 95°C、湿度为5 95%的条件下，将乳液置于超疏水生物体或超疏水仿生物体的表面，依靠乳液中单分散微球自身的重力作用进行沉积，便可以简便地在超疏水生物体或超疏水仿生物体的表面上制备得到由上述单分散微球自组装形成的高质量自支撑无裂纹蛋白石结构的光子晶体。将上述制备得到的高质量自支撑无裂纹蛋白石结构的光子晶体作为牺牲模板，在构成所述牺牲模板的单分散微球之间的空隙中填充功能性物质之后，再进一步除去所述的牺牲模板，就能够制备得到高质量自支撑无裂纹反蛋白石结构的光子晶体。在所述的作为牺牲模板的单分散微球之间的间隙中填充功能性物质的方法选自滴涂、浸涂、电化学沉积、化学气相沉积及提拉填充法中的一种。所述的除去所述的牺牲模板所采用的方法选自煅烧、有机溶剂(如:甲苯或四氢呋喃等)溶解及氢氟酸溶解方法中的一种或几种。所述的煅烧温度优选是160°C 600°C。所述的超疏水生物体或超疏水仿生物体的表面与水的接触角> 120°。所述的超疏水生物体选自荷叶、稻叶、蝴蝶翅膀、孔雀羽毛中的一种。所述的超疏水仿生物体是将所述的超疏水生物体作为模板(利用上述超疏水生物体的表面复型)，通过复型的方法制备得到表面具有荷叶、稻叶、蝴蝶翅膀、孔雀羽毛的结构中的一种的聚合物体(如将荷叶作为模板，`通过复型方法得到的聚二甲基硅氧烷等)。所述的聚合物选自聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯和聚偏氟乙烯中的一种。所述的单分散微球是已知市售产品，其粒径为80 IlOOnm ;所述的单分散微球在乳液中的质量分数为0.01 30wt%，其它为水。所述的单分散微球是单分散乳胶粒或单分散二氧化硅微球。所述的单分散乳胶粒选自单分散聚苯乙烯乳胶粒、单分散聚甲基丙烯酸甲酯乳胶粒、单分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)聚合物乳胶粒中的一种。本专利技术的制备方法得到的高质量自支撑无裂纹蛋白石结构的光子晶体的光子带隙在200 2600nm之间；所述的高质量自支撑无裂纹蛋白石结构的光子晶体选自聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)和二氧化硅中的一种。所述的功能性物质是无机氧化物的溶胶、制备固体单质的前驱体、聚合物单体或聚合物中的一种。所述的无机氧化物的溶胶选自SiO2溶胶、TiO2溶胶和ZnO溶胶等中的一种。所述的制备固体单质的前驱体选自制备Si的前驱体乙硅烷、制备C的前驱体蔗糖和制备Ge的如驱体乙错烧等中的一种。所述的聚合物单体是吡咯等。所述的聚合物是环氧树脂或酚醛树脂等。本专利技术的制备方法得到的高质量自支撑无裂纹反蛋白石结构的光子晶体的光子带隙在150 2500nm之间；所述的高质量自支撑无裂纹反蛋白石结构的光子晶体是无机氧化物，选自Si02、Ti02和ZnO等中的一种；或者所述的高质量自支撑无裂纹反蛋白石结构的光子晶体是固体单质，选自S1、C和Ge等中的一种；或者所述的高质量自支撑无裂纹反蛋白石结构的光子晶体是聚合物，选自聚吡咯、环氧树脂和酚醛树脂等中的一种。本专利技术的制备方法具有操作简单、成本低廉、环境友好、普适性好等优点。此外，由本专利技术所得到的高质量自支撑无裂纹蛋白石结构的及高质量自支撑无裂纹反蛋白石结构的光子晶体，由于晶面(111)面是最容易产生裂纹的晶面，在本专利技术所制备的高质量自支撑无裂纹蛋白石结构的及高质量自支撑无裂纹反蛋白石结构的光子晶体的最高堆积密度的(111)面不存在裂纹，由此可以保证在所制备得到的高质量自支撑无裂纹蛋白石结构的及高质量自支撑无裂纹反蛋白石结构的光子晶体中的所有晶面都不存在裂纹。由于避免了裂纹的漫反射作用，从而使所制备的光子晶体的反本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在超疏水生物体或超疏水仿生物体的表面制备无裂纹光子晶体的方法，其特征是：将单分散微球分散在水中形成乳液，在温度为5～95℃、湿度为5～95％的条件下，将乳液置于超疏水生物体或超疏水仿生物体的表面，依靠乳液中单分散微球自身的重力作用进行沉积，在超疏水生物体或超疏水仿生物体的表面上制备得到由上述单分散微球自组装形成的自支撑无裂纹蛋白石结构的光子晶体；所述的单分散微球是单分散乳胶粒或单分散二氧化硅微球；所述的超疏水生物体或超疏水仿生物体的表面与水的接触角≥120°。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈硕然，王京霞，宋延林，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11