[发明专利]一种快速制备大面积蛋白石结构光子晶体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料制备领域，特别涉及一种快速制备大面积蛋白石结构光子晶体的方法。

背景技术

光子晶体是由周期性排列的不同折射率的介质制造的规则光学结构。这种结构的基本特征就是具有光子带隙。处于光子带隙中的光子不能够在光子晶体中传播。由于光子晶体能够对光进行调控，因此，它在激光器、光学元件、光纤、高效发光二极管等领域有着重要的应用。

蛋白石结构光子晶体是由单分散的胶体粒子立方密堆积而成的，它可以通过胶体粒子的自组装方法得到。相比于其它结构的光子晶体，胶体自组装方法具有相对简单、廉价等优点。并且，基于这种结构可以得到反蛋白石结构的光子晶体，因此受到了广泛的关注。

通常蛋白石结构光子晶体是以单分散的SiO₂、PS（聚苯乙烯）或PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）亚微米球为原料，通过重力沉降自组装、离心沉降自组装、垂直/斜面自组装、提拉自组装等方法制备的。然而，这些方法往往需要数小时甚至数天的时间完成，得到的光子晶体面积小，不具有实际应用价值。虽然通过控制自组装时的温度、压强等条件，在一定程度上缩短了制备时间，但采用这些辅助方法也会提高成本，也不便于大规模应用。

P.Jiang等将刮涂法（doctor blading）应用在了蛋白石结构/反蛋白石结构光子晶体的制备中，解决了大规模制备的问题（参见Large-Scale Colloidal Self-Assembly by Doctor Blade Coating，Langmuir，2010年第26卷13173页）。但是他们提出的刮涂法方案并没有显著节省制备时间，而且直接得到的是一种蛋白石/反蛋白石复合结构，需要较复杂的后处理才能够得到蛋白石结构的光子晶体。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是克服现有的蛋白石结构光子晶体的制备过程耗时长、难以大规模化的问题，提出一种廉价、简单、快速、易于放大的蛋白石结构光子晶体制备方法。

为了解决上述问题，本发明提供一种制备蛋白石结构光子晶体的方法，包括：将单分散亚微米球分散在水和有机溶剂的混合溶液中，得到亚微米球分散液，将所述亚微米球分散液作为原料，用刮涂的方式在基底上制备蛋白石结构光子晶体。

优选地，上述方法还具有以下特点：

所述亚微米球的材料为二氧化硅、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯，或者为改性修饰的二氧化硅、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。

优选地，上述方法还具有以下特点：

所述单分散亚微米球的粒径为100～1000nm。

优选地，上述方法还具有以下特点：

在所述亚微米球分散液中，亚微米球的体积浓度为10%～50%。

优选地，上述方法还具有以下特点：

所述有机溶剂能与水混溶，为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、乙二醇、1,2-丙二醇、二甘醇、甘油、丙酮、甲酸、乙酸、三氟代乙酸、四氢呋喃、1,4-二氧六环、乙腈、3-甲氧基丙腈、丁二腈、乙二醇一甲醚、乙二醇二甲醚、乙二醇一乙醚、吡啶、乙二胺、吗啉、甲酰胺、乙酰胺、N-甲基甲酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲亚砜、N-甲基吡咯烷酮中的一种或多种。

优选地，上述方法还具有以下特点：

在所述亚微米球分散液中，水与有机溶剂的体积比为1:10～10:1。

优选地，上述方法还具有以下特点：

所述基底为玻璃片或硅片。

优选地，上述方法还具有以下特点：

所述刮涂的方式是指：将亚微米球分散液涂布于基底的表面；

刮涂的速度为0.1～10cm/s。

优选地，上述方法还具有以下特点：

将涂布于基底上的亚微米球分散液在室温下自然干燥，不需要加热或气流的辅助。

与现有的蛋白石结构光子晶体方法相比，本发明的优点在于：

1）制作过程简便易行、容易控制。

2）通过控制混合溶剂的体积比，采用刮涂法，可快速获得高质量蛋白石结构光子晶体。

3）本方法易于制备大面积蛋白石结构光子晶体。

附图说明

图1为采用本发明的一种快速制备大面积蛋白石结构光子晶体的方法获得的，粒径300nm左右的聚苯乙烯蛋白石结构光子晶体的实物照片。