[发明专利]电控组装三维光子晶体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电控组装三维光子晶体的方法，属于分析化学技术领域。

背景技术

光子晶体(PCs)是一种具有折射率呈周期性变化结构的材料。光子晶体的概念是由John和Yablonovitch在1987年分别提出，1999年被美国《科学》杂志列为当时的重大科学突破之一。光子晶体的制备就是要人工构造不同介电物质的周期性晶格结构的晶体。其制备方法可归纳为微加工、自组装、控制组装等三类方类。微加工技术借助计算机辅助，其加工技术选项丰富，有光刻、全息光刻、微机电加工等，但条件苛刻、成本高、推广难度大。借助化学和物理等方法而发展起来的自组装技术，成本低，选项亦多，主要有重力沉降、离心沉降、旋涂、蒸发诱导组装等。重力沉降法速度慢，且对组装颗粒的粒径有限制。离心沉降需要借助高速离心机才可组装，条件要求较高。旋涂方法简单，但制备大面积光子晶体的质量不高，容易出现龟裂或局域化现象。蒸发诱导组装速度过慢，常需要十几小时或者几天的时间。控制组装可认为是一种特殊形式的自组装技术，借助光、电、磁、温度等来调控周期结构的形成，或改变光子晶体的响应特性。磁控组装速度快，且组装过程全部在溶液中进行，因此不会产生由于光子晶体干燥而带来的龟裂现象，但需要磁性颗粒，常用的有在四氧化三铁颗粒表面修饰PS制得，增加了制备单分散性颗粒的难度。温度控制组装光子晶体通过构建温度梯度的方法实现，组装速度比蒸发诱导快，但制备过程中由于光子晶体的干燥导致表面张力诱导的龟裂现象。用电控组装的方法也有报道，在平板电极之间加入悬浮液，在电场作用下颗粒朝着其中一个电极运动组装。但此种方法应该严格避免平板电极表面的电解现象，否则会破坏电极表面组装的光子晶体结构，同时，此种方法不易在微通道内组装，尤其是微流控芯片通道中组装梯度光子晶体。

发明内容

本发明的目的是提供一种电控组装三维光子晶体的方法，具体通过一种通用、简单的电控技术实现微通道中纳米颗粒的可控组装。

本发明所提供的一种电控组装三维光子晶体的方法，包括如下步骤：

(1)在微通道的两个开口端处分别设置一储液池；

(2)将凝胶颗粒加入至高离子强度缓冲溶液中配制悬浮液；

(3)将所述悬浮液加入至所述微通道中，然后将一与所述储液池相匹配的凝胶填入至所述储液池使其封堵所述微通道的开口；

(4)在所述微通道的两端施加电压，所述凝胶颗粒在所述电压产生的电场的作用下向所述凝胶端做定向移动，依次组装成所述三维光子晶体。

上述的方法中，所述微通道具体可为玻璃芯片微通道、PDMS-玻璃芯片微通道、PMMA-玻璃芯片微通道、聚碳酸酯芯片通道、石英毛细管，所述微通道的高度小于300μm。

上述的方法中，所述凝胶颗粒可为二氧化硅颗粒、聚苯乙烯(PS)微球、二氧化钛颗粒或四氧化三铁磁性纳米颗粒；所述凝胶颗粒的球径可为100nm～1μm，具体可为200nm、220nm、260nm、270nm、290nm或460nm，单分散性小于10％。

上述的方法中，所述高离子强度缓冲溶液可为Tris-硼酸缓冲溶液；所述悬浮液的质量分数可为5％～20％，如20％。

上述的方法中，所述凝胶具体可为聚丙烯酰胺凝胶或琼脂糖凝胶。

上述的方法中，所述电压可为10V/cm～200V/cm，如50V/cm，可为直流或者脉冲方波电压。

上述的方法中，当所述凝胶颗粒带负电时，填充所述凝胶的储液池端与正极相连接，另一所述储液池端与负极相连接，则所述凝胶颗粒在电场的作用下从负极向正极做定向移动，进而组装成所述三维光子晶体；当所述凝胶颗粒带正电时，填充所述凝胶的储液池端与负极相连接，另一所述储液池端与正极相连接，则所述凝胶颗粒在电场的作用下从正极向负极做定向移动，进而组装成所述三维光子晶体；当所述凝胶颗粒为电中性时，可直接加电利用电渗作用驱动颗粒组装。电控组装过程中，使用相同材料和粒径的颗粒配置的悬浮溶液，可在同一通道中组装单段光子晶体；也可依次加入不同材料或粒径的悬浮溶液，在同一通道中组装成紧密连接的多段光子晶体，形成光子晶体梯度，其中，各段光子晶体的长度可通过调节组装时间来控制。

上述的方法中，当所述微通道的宽度小于100μm时，所述方法还可包括对所述微通道进行修饰的步骤，所述修饰的步骤包括：用γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(γ-MPS)通过溶胶凝胶法在所述微通道内壁引入双键，然后以过硫酸铵为引发剂将丙烯酰氨聚合修饰到所述微通道内壁以消除电渗；当所述微通道的宽度大于500μm时，可忽略电渗现象，只需用去离子水清洗所述微通道即可。