一種各向異性光子晶體的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及各向異性光子晶體，尤其是設(shè)及一種各向異性光子晶體的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 1987 年，Y油 lonovit (Yablonovitch, E. 1987. Phys. Rev. Lett. 58, 2059-2062.) 和 John (John, S. 1987. Phys. Rev. Lett. 58, 2486-2489)分別提出了光子晶體（Photonic 化ystal)的概念。由于光子晶體具有周期性可調(diào)節(jié)的介電常數(shù)，能夠使傳播的光產(chǎn)生布拉 格散射，從而可W有效地起到聚光和濾光的作用，可W產(chǎn)生例如超棱鏡、負(fù)折射率等物理現(xiàn) 象，因此引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。光子晶體作為一類重要的先進(jìn)光學(xué)材料，在光子晶體反 射器件、光子晶體濾波器、發(fā)光二極管和光子晶體光纖等方面展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景，成 為構(gòu)建光子器件的一種重要材料。光子晶體的制備工藝主要有光刻蝕、電化學(xué)刻蝕、電子束 和聚焦離子束刻蝕等復(fù)雜的半導(dǎo)體微加工技術(shù)。自組裝法由于工藝簡(jiǎn)單，并且范德華力、 氨鍵、靜電力和表面張力等作為其驅(qū)動(dòng)力可W很好實(shí)現(xiàn)光子晶體的有序排列而受到廣泛青 睞。
[0003] 各向異性光子晶體由于其特殊的結(jié)構(gòu)性能引起了廣泛關(guān)注，規(guī)則小球的對(duì)稱結(jié)構(gòu) 引起偏振模式在布里源區(qū)的W點(diǎn)或U點(diǎn)產(chǎn)生能帶簡(jiǎn)并，因此對(duì)于一般的介質(zhì)球來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生 低折光指數(shù)的全帶隙光子晶體是非常困難的。而各向異性光子晶體由于本身不具有對(duì)稱 性，組裝單元可W有效避免對(duì)稱結(jié)構(gòu)引起的能帶兼并使低折光指數(shù)的全帶隙光子晶體的制 備成為可能，可W構(gòu)建出球形粒子所不能形成的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)完全3D或者更加細(xì)小的光子禁 帶，從而擴(kuò)大了光子晶體的應(yīng)用。目前，各向異性光子晶體已經(jīng)有所發(fā)展，如Ian D.化sein and Qiekesha M. Liddell 等（Langmuir 2007, 23, 8810-8814)通過(guò)懸浮聚合制備出磨茹狀 的單分散PS聚合物微球，并通過(guò)對(duì)流自組裝得到六邊形遠(yuǎn)距離的有序結(jié)構(gòu)，得到一層薄而 透明的膜。Jin-Gyu Park(JACS2010, 132, 5960 - 5961)等通過(guò)兩步法種子乳液聚合生產(chǎn)出 啞鈴狀的（PS-CO-TMSPA)聚合物，并通過(guò)垂直蒸發(fā)沉積得到了規(guī)則排列的光子晶體結(jié)構(gòu)， 所得到的光子晶體膜在很大的區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)相同的厚度和形態(tài)。
[0004] 在中國(guó)專利CN200510011219. 2中，利用硬核-軟殼的聚合物乳膠粒制備了全色膠 體光子晶體膜，該方法引入了親水、親油單體，在聚合過(guò)程中親水單體趨近于水系形成殼， 而親油單體則趨向于聚合物球體內(nèi)部遷移形成聚合物微球的內(nèi)核，配合機(jī)械力的作用形成 規(guī)則光滑的微球，該種方法始終是一種通過(guò)制備規(guī)則微球并使其有序排列產(chǎn)生光子晶體的 方法，沒(méi)有根本性的突破，無(wú)法解決規(guī)則光滑小球所形成的的光子晶體不能長(zhǎng)生特定光子 禁帶的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種各向異性光子晶體的制備方法。
[0006] 本發(fā)明的具體步驟如下：
[0007] 1)將親水單體、疏水單體、交聯(lián)劑加入溶劑中，通氮?dú)饧訜岷筮M(jìn)行聚合反應(yīng)，再加 入引發(fā)劑溶液，繼續(xù)通氮?dú)夥磻?yīng)，得到單分散的異形聚合物微球；
[000引 2)將步驟1)制備的單分散異形聚合物微球分散于水中，得到聚合物微球乳液，將 玻璃片放入聚合物微球乳液中，待水分完全揮發(fā)后，即得各向異性光子晶體。
[0009] 在步驟1)中，所述親水單體、疏水單體、交聯(lián)劑、溶劑和引發(fā)劑溶液按質(zhì)量百分比 的含量可為；親水單體和疏水單體為1%~20%，交聯(lián)劑可為親水單體和疏水單體總質(zhì)量 的2. 5%~25. 4%，引發(fā)劑可為親水單體和疏水單體總質(zhì)量的0. 1 %~5%，其余為溶劑；所 述親水單體與疏水單體的體積比可為1 : (3~20);
[0010] 所述親水單體可選自甲基丙締酸縮水甘油醋、甲基丙締酸哲己醋、N-異丙基丙締 酷胺、丙締酷胺、丙締酸等中的至少一種；
[0011] 所述疏水單體可采用苯己締等；
[0012] 所述交聯(lián)劑可采用二己締基苯等；
[0013] 所述溶劑可采用水；
[0014] 所述引發(fā)劑溶液可采用過(guò)硫酸鐘等，引發(fā)劑溶液的質(zhì)量百分比濃度可為0. 2%~ 2%。
[0015] 所述加熱的溫度可為65~85°C，所述聚合反應(yīng)時(shí)可進(jìn)行攬拌，攬拌速度可為 200~60化pm ;所述繼續(xù)通氮?dú)夥磻?yīng)的時(shí)間可為2化。
[0016] 在步驟2)中，所述聚合物微球乳液的質(zhì)量百分濃度可為5%~30% ;所述玻璃片 可預(yù)先用硫酸處理，處理的時(shí)間可為12h ;所述將玻璃片放入聚合物微球乳液中最好將玻 璃片垂直放入聚合物微球乳液中，在60°C下，隨著溶劑的蒸發(fā)乳液中的單分散聚合物微球 自組裝，形成規(guī)整堆擱的規(guī)則結(jié)構(gòu)，水分完全揮發(fā)后即得顏色廣泛可調(diào)的各向異性光子晶 體。
[0017] 本發(fā)明中單分散的異形核殼結(jié)構(gòu)聚合物微球是采用無(wú)皂乳液一步合成法制備，具 有操作簡(jiǎn)單易行、所得產(chǎn)物異形微球粒徑大小均一可控的優(yōu)點(diǎn)。由于不添加任何乳化劑W 及穩(wěn)定劑，所得產(chǎn)物純凈，后續(xù)制備聚合物光子晶體不需任何處理即可使用。采用的無(wú)皂乳 液一步聚合法，原料為親水和親油的兩種單體和交聯(lián)劑，在聚合過(guò)程中，親水部分趨向于水 溶劑體系形成殼層，而親油組分則向聚合物球體內(nèi)部遷移形成聚合物微球的內(nèi)核，同時(shí)交 聯(lián)劑使得大分子之間聯(lián)成一團(tuán)，在機(jī)械攬拌力的共同作用下，形成單分散的異形核殼結(jié)構(gòu) 聚合物微球。其粒徑大小可根據(jù)需要改變親水親油單體量的濃度，改變引發(fā)劑用量度W及 改變聚合反應(yīng)溫度和攬拌速度來(lái)控制。
[0018] 本發(fā)明中采用異形單分散的核殼結(jié)構(gòu)聚合物微球，W-定的配比溶于水溶劑中后 形成均勻的乳液，將預(yù)先處理好的玻璃片垂直放置于溶液中，并在一定的溫度環(huán)境下，隨著 水分揮發(fā)異形聚合物微球自組裝形成聚合物光子晶體的方法。得到的光子晶體的顏色可根 據(jù)各向異性球粒徑的不同來(lái)調(diào)節(jié)；光子晶體膜的厚度取決于所配制異形聚合物微球乳液的 濃度W及涂抹的量。由于得到的異形聚合物微球嚴(yán)格單分散，溶液在揮發(fā)過(guò)程中異形球很 容易受力規(guī)則排列。同時(shí)，采用無(wú)皂乳液聚合得到的異形球表面無(wú)雜質(zhì)，在堆擱排列過(guò)程中 不會(huì)受到雜質(zhì)的干擾，有利于有序結(jié)構(gòu)的形成。
[0019] 本發(fā)明打破了傳統(tǒng)W粒徑均一的規(guī)則小球排列形成光子晶體的方法，拓寬了聚合 物光子晶體的產(chǎn)生領(lǐng)域。同時(shí)，形成了 W往規(guī)則光滑微球由于對(duì)稱、尺寸原因所不能形成的 光子禁帶，得到更加窄的光子帶隙，擴(kuò)大了光子晶體的應(yīng)用范圍。根據(jù)此方法制得的異形聚 合物光子晶體由于其特殊的結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的光學(xué)特性，在許多裝飾材料、涂料、薄膜w及太陽(yáng) 能聚光器等應(yīng)用領(lǐng)域具有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景；并且由于本發(fā)明所用異形聚合微球嚴(yán)格單 分散且純凈，在環(huán)保材料、化妝品等要求嚴(yán)格的領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
[0020] 本發(fā)明通過(guò)無(wú)皂乳液聚合制備出異形聚合物微球，利用垂直沉積法合成了一種各 向異性的光子晶體。該方法引入了交聯(lián)劑，在聚合過(guò)程中親水單體趨近于水系形成殼，而親 油單體則趨向于聚合物球體內(nèi)部遷移形成聚合物微球的內(nèi)核，交聯(lián)劑作用于單體實(shí)現(xiàn)單體 內(nèi)部聚合，配合機(jī)械攬拌的作用，從而制備出與W往不同的各向異性聚合物微球。并且由于 采用無(wú)皂乳液聚合，沒(méi)有引入任何的雜質(zhì)如；乳化劑、緩沖劑等，所得到的異形微球純凈，