[发明专利]可调布拉格堆叠

说明书

技术领域

本公开涉及可调光子晶体。特别地，本公开涉及可调一维光子晶体。

背景技术

多年以来，光子晶体(PC)领域已经受到了来自学术界以及产业内研究人员的极大关注。这种材料之所以受到关注，是因为它们通过其折射率的周期性空间调制来与可见光相互作用。特别地，PC中存在的周期性折射率调制导致光的选择性反射，其具有与该调制的周期性相对应的波长。一种受到关注的相互作用发生在PC的折射率周期性与可见光的波长相当时(Arsenault等人，Adv.Mater，2003年，第6卷，第503页)。这引起肉眼可察觉到的与光的相互作用。

可以按照一维、二维或三维形式来制备光子晶体，其中以文献资料的角度而言，三维形式代表了可根据自下至上的方法得到的更为常见的PC。一维PC通常包括具有不同折射率的周期性交替层。一维PC的一种形式是分布式布拉格反射器(DBR)，也称为布拉格堆叠。

DBR是一种薄膜纳米结构，其包括了具有介电常数变化的材料的交替层。在图1中示出了DBR的一个实施例。如图1所示。每个层边界引发光波的部分反射，多个边界形成多次反射。假定折射率的变化是周期性的(当以相同的厚度沉积具有相等折射率的每一层时，可以实现该周期性变化)，多个反射波能够相长干涉，有效地产生高质量反射器。由DBR反射的波长范围称为光子阻带。在该波长范围内，光被“禁止”在该结构中传播，并代之以被反射。这种结构作为频率选择滤波器或作为抗反射涂层而在光学的所有分支中被普遍采用。

为了试图向DBR赋予额外的功能，已经对传统DBR结构的变化进行了研究。Rubner等人已经提出了具有交替的完全致密、多孔区域的堆叠叠电解质多层异质结构的组件(Zhai等人，Macromolecules，2004年，第37卷第6113页)。包括聚(烯丙胺盐酸盐)(PAH)和聚(丙烯酸)(PAA)的pH栅格孔隙度提供了如下机制，其用于实现与完全致密的、由PAH和聚(钠4-苯乙烯)(SPS)构成的对pH值不敏感的区域相对的可逆折射率。该团队论证了对高折射率区域和低折射率区域的厚度进行控制，使得它们能够将这些一维光子晶体(即，布拉格堆叠)的反射带定位为跨越可见光谱。除对这一“结构颜色”的简单论证之外，他们还展示了反射峰值波长(以及因此所观察到的颜色)对多孔区域中的各种物类的凝结是敏感的。对作为微量溶剂蒸汽的传感器和作为可监测药物输送系统的应用进行了讨论。然而，由于在材料的制造期间受到控制，因此这些一维光子晶体只能反射固定波长。反射波长的变化依赖于各种物类在多孔区域中的吸附，不能以其他方式对其进行控制。

Rubner等人的同一团队报道了对于来自TiO₂/SiO₂布拉格反射器的结构性颜色的观察(Wu等人，Small，2007年，第3卷，第1445页)。纳米粒子DBR通过聚电解质辅助的逐层沉积以及随后用以去除聚合物成分的薄膜热处理来形成。由此产生的共形、纳米多孔薄膜涂层显示出预期的窄波长反射带，得到对分析物敏感的结构颜色。此外，该薄膜显示出良好的超亲水性(防雾)和自洁性质。同样，反射波长的变化依赖于在材料的孔内的分析物吸附。

Choi等人报道了包括TiO₂和SiO₂介孔材料交替层的布拉格反射器的制备(Choi等人，Nano Lett，2006年，第6卷，第2456页)。通过从适当的溶胶液旋涂然后进行热处理步骤来制备各层。作者演示了这种介孔DBR的结构颜色对在其多孔结构中分析物的渗透和去除的可逆敏感性。反射波长的变化依赖于在材料的孔隙内分析物的吸附。

目前，对这种一维光子晶体结构中的结构颜色的调谐仅来自于分析物的吸附，该吸附导致孔隙中的折射率变化以及在布拉格反射最大值中的随后偏移。因此，期望扩展DBR的功能以用于其他应用。

发明内容

在一些方面，提供了一种可调光子晶体器件，包括：第一材料和第二材料交替层，该交替层包括响应材料，该响应材料对外部刺激作出响应，该交替层具有周期性的折射率差异从而引起第一反射波长；其中，响应于外部刺激，该响应材料中的改变引起该器件的反射波长从第一反射波长改变到第二反射波长。