本發(fā)明涉及一種光子晶體的制備方法，具體涉及一種二維隱形光子晶體的制備方法。
背景技術(shù)：
光子晶體的概念最早是在1987年由yablonovitch和john分別獨(dú)立提出，它是指由兩種以上具有不同介電常數(shù)（折射率）的材料在空間按照一定的周期性順序排列所形成的有序結(jié)構(gòu)材料。
光子晶體的主要光學(xué)特征是具有光子帶隙，即“光子禁帶”。在光子晶體結(jié)構(gòu)中，處于禁帶波段的光波在各個(gè)方向上均受到布拉格衍射，無法向任一方向傳播，但當(dāng)某個(gè)位置電解質(zhì)排列的周期性被打破，光波就可以從該位置射出。根據(jù)光子晶體的這一特性，可以選擇性地調(diào)控不同波長的電磁波的傳播，目前，光子晶體在波導(dǎo)、傳感器檢測、光纖等環(huán)境檢測、光電子學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
目前，人們可以在一維、二維和三維層面構(gòu)建光子晶體。其中，基于水凝膠的光子晶體，當(dāng)水凝膠的體積由于外界環(huán)境的刺激產(chǎn)生脹縮，光子晶體的晶格參數(shù)就會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，從而移動(dòng)布拉格衍射波長，宏觀表現(xiàn)為光子晶體顏色的改變。當(dāng)水凝膠官能化以后，其可以用來檢測葡萄糖濃度、ph值、某些溶劑和重金屬陽離子濃度等的變化，僅憑裸眼就可以判斷被檢測物質(zhì)的變化，無需信號轉(zhuǎn)換，而且響應(yīng)速度快具有靈敏度高，響應(yīng)性快的特點(diǎn)。
但是，現(xiàn)有技術(shù)制作光子晶體模板往往耗時(shí)較長，并且制備難度大，難以大面積制備，不利于實(shí)際生產(chǎn)。此外，普通光子晶體顏色的變化范圍有限，往往難以直觀反映被檢測信號的變化。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種二維隱形光子晶體的制備方法，該方法解決了現(xiàn)有技術(shù)制備光子晶體的難度大、耗時(shí)長等問題，其制備方法簡單，操作容易，能夠獲得具有隱形圖案的光子晶體。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種二維隱形光子晶體的制備方法，該方法包含：
步驟1：將單分散的膠體微球分散在溶劑中，配制成懸浮液，該懸浮液中膠體微球的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%~20%；
步驟2，將步驟1所得懸浮液滴在裝有介質(zhì)的容器中，快速形成一層二維光子晶體模板；
步驟3，將有機(jī)單體和交聯(lián)劑混合并溶解在溶劑中，添加引發(fā)劑，形成凝膠前驅(qū)體溶液；
步驟4，將步驟3所述的凝膠前驅(qū)體溶液注入步驟2中所述的二維光子晶體模板中，并覆蓋上有圖案的掩膜；
步驟5，用波長為365nm的光對步驟4所得的材料進(jìn)行照射，待照射完畢除去掩膜，得到二維隱形光子晶體。
其中，在步驟3中，所述的有機(jī)單體和交聯(lián)劑的摩爾比為40~60:1。
其中，在步驟3中，所述的引發(fā)劑的質(zhì)量百分比為：有機(jī)單體、交聯(lián)劑和引發(fā)劑三者混合物總質(zhì)量的0.5~1%。
在步驟1中，所述的膠體微球包含：聚苯乙烯膠體微球、聚甲基丙烯酸甲酯膠體微球和二氧化硅膠體微球中的任意一種。
在步驟1中，所述的膠體微球的粒徑為80~500nm。
在步驟1中，所述的溶劑為水與醇的混合物，所述的水為純水。
所述的醇包含：乙醇、正丙醇和乙二醇中的任意一種或兩種以上。
在步驟2中，所述的介質(zhì)為水或汞，所述的水為純水。
在步驟3中，所述的有機(jī)單體包含：丙烯酸及其衍生物中的任意一種或兩種以上；所述的衍生物包含：丙烯酰胺、甲基丙烯酸酯。
在步驟3中，所述的交聯(lián)劑包含：n,n-亞甲基雙丙烯酰胺和乙二醇二甲基丙烯酸酯中的任意一種。
在步驟3中，所述的引發(fā)劑為光引發(fā)劑，其包含：烷基苯酮和/或苯偶酰類光引發(fā)劑；所述的烷基苯酮類光引發(fā)劑包含：2,2-二乙氧基苯乙酮；所述的苯偶酰類光引發(fā)劑包含：二苯基乙酮。
在步驟4中，所述的掩膜上的圖案通過掩膜鏤空或刻蝕形成。
本發(fā)明提供的二維隱形光子晶體的制備方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)制備光子晶體的難度大、耗時(shí)長等問題，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）本發(fā)明的制備方法簡單，操作容易，制備時(shí)間短，二維光子晶體模板制備完成僅需1min，整個(gè)制備過程完成需要僅1h左右，而現(xiàn)有技術(shù)制備光子晶體純化、組裝的過程相對較久，需要數(shù)日才能完成；
（2）本發(fā)明的圖案化效果的形成是由于掩膜的存在使聚合物交聯(lián)密度產(chǎn)生了差異，通過掩膜的無圖案部分具有較高的紫外透過率，在紫外光的照射下，無圖案覆蓋的表面有更高的聚合度，從而得到隱形圖案；
（3）本發(fā)明的制備方法通過光子晶體對濕度和ph值的敏感，使光子晶體的體積發(fā)生改變，導(dǎo)致晶格參數(shù)發(fā)生相應(yīng)改變，以使光子晶體發(fā)出不同的顏色，通過調(diào)節(jié)晶格參數(shù)，可使顏色可逆。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明。
一種二維隱形光子晶體的制備方法，該方法包含：
步驟1：將單分散的膠體微球分散在溶劑中，配制成懸浮液，該懸浮液中膠體微球的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%~20%；
步驟2，將步驟1所得懸浮液滴在裝有介質(zhì)的容器中，快速形成一層二維光子晶體模板，該模板的厚度為膠體微球的直徑；該模板形成迅速，僅需要1min即可完成；
步驟3，將有機(jī)單體和交聯(lián)劑混合并溶解在溶劑中，添加引發(fā)劑，形成凝膠前驅(qū)體溶液；
步驟4，將步驟3的凝膠前驅(qū)體溶液注入步驟2中的二維光子晶體模板中，并立即覆蓋上有圖案的掩膜；
步驟5，用波長為365nm的光對步驟4所得的材料進(jìn)行照射，有掩膜的一面與無掩膜的一面具有不同的交聯(lián)密度，無掩膜一面聚合程度相同，待照射完畢除去掩膜，得到二維隱形光子晶體，該晶體通過二維組裝，無需外加磁場，制備簡便且快速；照射的時(shí)間為15min~60min，該照射根據(jù)光照強(qiáng)度等因素調(diào)節(jié)，當(dāng)光照強(qiáng)度較弱時(shí)可延長照射時(shí)間，通過紫外照射和引發(fā)劑，引發(fā)有機(jī)單體和交聯(lián)劑的化學(xué)聚合反應(yīng)。
在步驟3中，有機(jī)單體和交聯(lián)劑的摩爾比為40~60:1；
在步驟3中，引發(fā)劑的質(zhì)量百分比為：有機(jī)單體、交聯(lián)劑和引發(fā)劑三者混合物總質(zhì)量的0.5~1%。
在步驟1中，膠體微球包含：聚苯乙烯膠體微球、聚甲基丙烯酸甲酯膠體微球和二氧化硅膠體微球中的任意一種。
在步驟1中，膠體微球的粒徑為80~500nm。
在步驟1中，溶劑為水與醇的混合物。
上述醇包含：乙醇、正丙醇和乙二醇中的任意一種或兩種以上。
在步驟2中，介質(zhì)為水或汞，利用水或水銀的表面張力，使懸浮液中的微球排列在空氣-介質(zhì)交界面上，形成單層的光子晶體，即二維光子晶體。
在步驟3中，有機(jī)單體包含：丙烯酸及其衍生物中的任意一種或兩種以上；其中，衍生物包含：丙烯酰胺、甲基丙烯酸酯。
在步驟3中，交聯(lián)劑包含：n,n-亞甲基雙丙烯酰胺和乙二醇二甲基丙烯酸酯中的任意一種。
在步驟3中，引發(fā)劑為光引發(fā)劑，其包含：烷基苯酮和/或苯偶酰類光引發(fā)劑。其中，烷基苯酮類光引發(fā)劑包含：2,2-二乙氧基苯乙酮；苯偶酰類光引發(fā)劑包含：二苯基乙酮。
在步驟4中，掩膜上的圖案通過掩膜鏤空或刻蝕形成。
上述步驟中所選用的水為純水，即去離子水，這由于光子晶體中晶體陣列對雜質(zhì)非常敏感，微量的離子雜質(zhì)便會(huì)破壞微球間的靜電平衡以及晶格的排列順序，因此必需保證整個(gè)制備過程中純凈無雜質(zhì)。
實(shí)施例1
一種二維隱形光子晶體的制備方法，該方法具體如下：
步驟1：將粒徑為400nm的單分散的聚苯乙烯微球分散在正丙醇與水的混合溶劑中，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的懸浮液；
步驟2，將步驟1所得的懸浮液滴在裝有汞的容器中，通過溶劑蒸發(fā)在空氣-液體界面上快速形成一層二維光子晶體模板；
步驟3，將丙烯酰胺和n,n-亞甲基雙丙烯酰胺以50:1的摩爾比混合，并溶解在純水中，添加微量2,2-二乙氧基苯乙酮作為引發(fā)劑，形成凝膠前驅(qū)體溶液；其中，引發(fā)劑的質(zhì)量百分比占單體、交聯(lián)劑和引發(fā)劑三者混合物總量的0.5%；
步驟4，將步驟3所得溶液注入步驟2的光子晶體模版中，并覆蓋上有圖案的掩膜；其中，掩膜是刻有“sspu”字樣的普通打印紙；
步驟5，用兩臺(tái)汞燈（高壓汞燈，發(fā)射波長365nm的光）分別從上下兩側(cè)照射步驟4所得的材料30分鐘，保證整個(gè)材料均被照射，除去掩膜即可得到二維隱形光子晶體。由于掩膜的存在，使制備過程中聚合物的交聯(lián)密度不同，造成溶脹性能差異，交聯(lián)密度高的最大溶脹率較低，交聯(lián)密度低的則最大溶脹率較高，凝膠溶脹率不同使光子晶體晶格參數(shù)改變程度不同，故產(chǎn)生顏色差異，顯現(xiàn)隱形圖像。
實(shí)施例1制備的二維隱形光子晶體，采用的丙烯酰胺對濕度敏感，當(dāng)水含量改變時(shí)，光子晶體由于外界環(huán)境的刺激產(chǎn)生脹縮，光子晶體的晶格參數(shù)就會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，從而移動(dòng)布拉格衍射波長，宏觀表現(xiàn)為光子晶體顏色的改變。干燥狀態(tài)呈透明薄膜狀，遇水后當(dāng)濕度在10%以上，開始變色，光子帶隙的變化約為150nm。其顏色從無色變成藍(lán)紫色最終變成綠色，同時(shí)隱形印刷的sspu字樣（隱形圖像）呈紅色，由于溶脹率不同，晶格參數(shù)改變不同，呈現(xiàn)出不同的顏色，干燥后二維隱形光子晶體可恢復(fù)無色透明。
實(shí)施例2
一種二維隱形光子晶體的制備方法，其方法具體如下：
步驟1：將粒徑為500nm的單分散的聚苯乙烯微球分散在正丙醇與水的混合溶劑中，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的懸浮液；
步驟2，將步驟1所得的懸浮液滴在裝有汞的容器中，通過溶劑蒸發(fā)在空氣-液體界面上快速形成一層二維光子晶體模板；
步驟3，將異丙基丙烯酰胺、丙烯酸和n,n-亞甲基雙丙烯酰胺以25：25：1的摩爾比混合，并溶解在純水中，添加微量2,2-二乙氧基苯乙酮作為引發(fā)劑，形成凝膠前驅(qū)體溶液；其中，引發(fā)劑的質(zhì)量百分比占單體、交聯(lián)劑和引發(fā)劑三者混合物總量的0.5%；
步驟4，將步驟3所得溶液注入步驟2的光子晶體模版中，并覆蓋上有圖案的掩膜；其中，掩膜是刻有“sspu”字樣的普通打印紙；
步驟5，用兩臺(tái)汞燈（高壓汞燈，發(fā)射波長365nm的光）分別從上下兩側(cè)照射步驟4所得的材料30分鐘，保證整個(gè)材料均被照射，除去掩膜即可得到二維隱形光子晶體。
實(shí)施例2制備的二維隱形光子晶體，采用的異丙基丙烯酰胺對ph敏感，在不同ph值下，其脹縮率不同，導(dǎo)致光子晶體的晶格參數(shù)就會(huì)在不同ph值下發(fā)生不同的改變，從而改變布拉格衍射波長，宏觀表現(xiàn)為光子晶體顏色在不同ph值下不同。在干燥狀態(tài)呈透明薄膜狀，在ph值2-9內(nèi)不同的ph值下，溶液呈現(xiàn)不同顏色，光子帶隙的變化約為150nm，干燥后二維隱形光子晶體可恢復(fù)無色透明。
實(shí)施例3
同時(shí)實(shí)例1的制備步驟，僅將步驟3中使用的引發(fā)劑“2,2-二乙氧基苯乙酮”用“二苯基乙酮”代替，得到的二維隱形光子晶體和實(shí)施例1的光子晶體具有相同的效果。
本發(fā)明的二維隱形光子晶體的制備方法，并不限于采用化學(xué)聚合的方式，可以選擇不同的單體和聚合方式，如還可采用熱聚合方式。本發(fā)明制備的二維光子晶體模板，采用物理交聯(lián)化的凝膠，同樣可制得二維隱形光子晶體。本發(fā)明制備的凝膠光子晶體模板，還適用于其他形式的物理、化學(xué)修飾，可使所制備的光子晶體材料對不同環(huán)境變化產(chǎn)生響應(yīng)，如ph、溫度、金屬離子、溶劑等。
綜上所述，本發(fā)明的二維隱形光子晶體的制備方法，該制備方法簡單，操作容易，能夠獲得具有隱形圖案的光子晶體，并通過光子晶體晶格參數(shù)的改變，使得隱形圖案顯現(xiàn)，能夠用于傳感檢測、隱形標(biāo)記等領(lǐng)域。
盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。