一种无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及光子晶体制备技术领域，尤其涉及一种无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜及其制备方法。

背景技术

光子晶体是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构，其特有的光子带隙能够屏蔽特定频率的光在其结构中的传播，使这些特定频率的光与光子晶体结构相互作用，发生折射、漫反射、相干衍射，最后形成肉眼可见的明亮结构色。与色素色相比，光子晶体形成的结构色具有色彩鲜艳、永不褪色、环境友好等优点，在光学器件、显示设备以及纺织、涂料等领域具有广阔的应用前景。

目前，光子晶体的制备方法主要包括光刻法和自组装法。其中，光刻法由于设备昂贵、成本较高的问题难以被广泛应用，自组装法则以其操作简单、成本低廉的优势成为光子晶体的常用制备方法。然而，在胶体自组装制备光子晶体的过程中，基材与胶体微球之间的粘附力随着溶剂的挥发逐渐增强，在光子晶体内部形成一定的内应力，使干燥后得到的光子晶体表面产生较为明显的缺陷。这些缺陷不仅有损光子晶体的外观，还会影响其光学性能和机械强度，严重制约了光子晶体的应用。因此，如何制备没有明显缺陷的光子晶体成为了光子晶体的一个重要研究方向。

公开号为CN103103601A的专利提供了一种在超疏水生物体或超疏水仿生物体的表面制备无裂纹光子晶体的方法。该专利以超疏水生物体或超疏水仿生物体作为基底，将含有单分散微球的乳液置于该超疏水基底表面，利用单分散微球自身的重力作用进行沉积，从而在超疏水表面上自组装形成无裂纹的光子晶体。然而，该方法中单分散微球利用自身重力进行沉积的过程需要花费很长的时间，效率较低；并且，该方法制得的光子晶体不能表现出六边辐射状的结构色，导致其应用受限。

有鉴于此，有必要设计一种改进的方法来制备无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜，以解决上述问题。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜及其制备方法。通过将含有胶体微球和粘结剂的悬浮液滴加至超疏水基板表面上的O型密封圈内，使胶体微球在超疏水基板和具有局限效应的O型密封圈的协同作用下紧密堆积排列，在此基础上再利用粘结剂进一步改善胶体微球组装时产生的应力缺陷，从而形成无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜。

为实现上述目的，本发明提供了一种无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜的制备方法，包括如下步骤：

S1、制备超疏水基板；

S2、将胶体微球和粘结剂均匀分散于溶剂中，制成悬浮液；

S3、将O型密封圈置于步骤S1得到的所述超疏水基板上，使所述O型密封圈与所述超疏水基板紧密贴合；再将步骤S2得到的所述悬浮液加入所述O型密封圈中，直至所述悬浮液铺满所述O型密封圈而不溢出；经干燥处理使所述溶剂完全挥发后，得到无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述超疏水基板的制备方法为：采用滚涂、旋涂或喷涂的方式，将含有疏水性二氧化硅粒子的聚氨酯溶液均匀涂覆于干净的载玻片上，干燥固化后即得到超疏水基板。

作为本发明更进一步的改进，所述聚氨酯溶液中疏水性二氧化硅粒子的含量为0.5～1.5wt％。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2得到的所述悬浮液中，所述胶体微球的质量分数为0.8～1.2wt％，所述粘结剂的质量分数为0.08～0.12wt％。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述胶体微球的粒径为200～500nm。

作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，所述O型密封圈的外径为15～25mm，线径为3～5mm。

作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，所述干燥处理的温度为70～90℃，干燥时间为10～14h。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述胶体微球为二氧化硅微球、二氧化钛微球、聚苯乙烯微球或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述粘结剂为分子量≤20000的聚乙烯吡咯烷酮。

为实现上述目的，本发明还提供了一种无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜，该光子晶体薄膜根据上述技术方案中任一技术方案制备得到。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过制备超疏水基板，并将含有胶体微球和粘结剂的悬浮液加入放置于超疏水基板上的O型密封圈中，直至悬浮液铺满O型密封圈而不溢出，再通过干燥使溶剂完全挥发，即可制得无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜。基于本发明提供的制备方法，本发明能够获得超疏水的基板，并利用该超疏水基板与O型密封圈的协同作用，使胶体微球在滴加的过程中同时受到超疏水性基板的牵引力和O型密封圈产生的局限效应，在O型密封圈内紧密堆积排列，并诱导六边辐射状结构色的产生；同时，超疏水基板和O型密封圈的共同作用还能够在干燥过程中有效减少缺陷的产生，使胶体微粒在干燥后依然能够保持紧密排列的结构，从而使制得的光子晶体薄膜在保持表面完好的同时产生六边辐射状的结构色。在超疏水基板和O型密封圈作用的基础上，本发明通过在悬浮液中添加少量的粘结剂，能够使粘结剂分散于紧密排列的胶体微球之间，进一步改善胶体微球组装时产生的应力缺陷，从而使制得的光子晶体薄膜表面没有明显缺陷。

(2)本发明通过在超疏水基板表面设置O型密封圈，并将悬浮液缓慢滴加至铺满O型密封圈而不溢出的状态，能够充分发挥O型密封圈的局限效应，使其与超疏水基材共同作用，促进胶体微球的紧密排列；同时诱导六边辐射状结构色的产生，使制得的光子晶体薄膜在光线照射下能够从侧视角度观察到六边辐射状的结构色。此外，本发明通过控制胶体微球的粒径大小，能够获得不同颜色的六边辐射状结构色，以便根据实际需要进行选择与调控，能够满足实际应用的需求。

(3)本发明通过控制粘结剂的含量及其分子量，能够使其在消除光子晶体薄膜内应力的同时令悬浮液保持适宜的粘度，避免胶体微球的团聚，使其能够保持均匀的紧密堆积状态，从而使制得的光子晶体薄膜在表面无明显缺陷的同时发出六边辐射状结构色。

(4)本发明提供的无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜的制备方法能够以简便的操作方法、较短的时间和较低的成本有效改善光子晶体薄膜的表面缺陷，并诱导其产生色彩饱满不褪色的六边辐射状的结构色，能够满足实际生产和应用的需求，具有较好的应用前景。

附图说明

图1为本发明提供的无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜的制备方法示意图。

图2为实施例1～4制备的无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜的俯视照片。

图3为实施例1～4制备的无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜在45°的侧视角度下的照片。

图4为实施例1～4制备的无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜及其对应的显微放大图像。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本发明提供了一种无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜的制备方法，包括如下步骤：

S1、制备超疏水基板；

S2、将胶体微球和粘结剂均匀分散于溶剂中，制成悬浮液；

S3、将O型密封圈置于步骤S1得到的所述超疏水基板上，使所述O型密封圈与所述超疏水基板紧密贴合；再将步骤S2得到的所述悬浮液加入所述O型密封圈中，直至所述悬浮液铺满所述O型密封圈而不溢出；经干燥处理使所述溶剂完全挥发后，得到无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜。

在步骤S1中，所述超疏水基板的制备方法为：采用滚涂、旋涂或喷涂的方式，将含有疏水性二氧化硅粒子的聚氨酯溶液均匀涂覆于干净的载玻片上，干燥固化后即得到超疏水基板；所述聚氨酯溶液中疏水性二氧化硅粒子的含量为0.5～1.5wt％。

在步骤S2中，所述悬浮液中胶体微球的质量分数为0.8～1.2wt％，所述粘结剂的质量分数为0.08～0.12wt％；所述胶体微球的粒径为200～500nm；所述胶体微球为二氧化硅微球、二氧化钛微球、聚苯乙烯微球或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种；所述粘结剂为分子量≤20000的聚乙烯吡咯烷酮。

在步骤S3中，所述O型密封圈的外径为15～25mm，线径为3～5mm；所述干燥处理的温度为70～90℃，干燥时间为10～14h。

本发明还提供了一种无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜，该光子晶体薄膜根据上述技术方案制备得到。

下面结合具体的实施例对本发明提供的一种无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜及其制备方法进行说明。

实施例1

本实施例提供了一种无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜的制备方法，包括如下步骤：

S1、制备超疏水基板

采用喷涂法，将含有1wt％疏水性二氧化硅粒子的聚氨酯溶液均匀地喷涂在干净的载玻片上，并置于80℃的干燥箱中固化12h，得到与水的接触角为152±1°的超疏水基板。

S2、配制含有胶体微粒和粘结剂的悬浮液

将粒径为200nm的二氧化硅胶体微粒和分子量为20000的粘结剂聚乙烯吡咯烷酮分别加入水中，充分分散后，得到含有二氧化硅胶体微粒和聚乙烯吡咯烷酮的悬浮液。在该悬浮液中，二氧化硅胶体微粒的质量分数为1％，聚乙烯吡咯烷酮的质量分数为0.1％。

S3、制备无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜

如图1所示，将O型密封圈置于步骤S1得到的超疏水基板之上，使O型密封圈能够与超疏水基板紧密贴合，避免悬浮液从二者的缝隙间流出。然后将步骤S2得到的悬浮液逐滴滴加到O型密封圈内，直至悬浮液完全铺满O型密封圈而又恰好不溢出。再将整个基板置于80℃的干燥箱中干燥处理12h，直到悬浮液中的水分完全挥发，即得到无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜。

实施例2～4

实施例2～4分别提供了一种无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于改变了步骤S2中使用的二氧化硅胶体微球的粒径，实施例2～4对应的二氧化硅胶体微球的粒径依次为250nm、320nm和450nm，其余步骤均与实施例1一致，在此不再赘述。

在光源照射下对实施例1～4制备的无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜进行观察，俯视图和45°下的侧视图分别如图2、图3所示。其中，图2、图3中的各试样从左至右依次代表实施例1～4。结合图2和图3可以看出，各实施例制备的光子晶体薄膜表面均无明显的缺陷，在俯视状态下近似于白色，在侧视状态下则均呈现出色彩饱满的六边辐射状的结构色，且不同实施例呈现的颜色各不相同，实施例1～4对应的六边辐射状结构色依次为蓝色、蓝绿色、绿色和红棕色。

进一步对实施例1～4制备的无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜进行观察，测得其光学显微放大图片如图4所示。由图4可以看出，实施例1～4制得的光子晶体薄膜均无明显缺陷。并且，在光源照射下，由不同粒径的二氧化硅胶体微球形成的光子晶体薄膜所呈现的主要色彩与其六边辐射状结构色一一对应。

由此可以看出，本发明通过将含有胶体微球和粘结剂的悬浮液滴加至超疏水基板表面上的O型密封圈内，能够利用超疏水基板与O型密封圈的协同作用，使胶体微球在滴加的过程中同时受到超疏水性基板的牵引力和O型密封圈产生的局限效应，在O型密封圈内紧密堆积排列，诱导六边辐射状结构色的产生；并在干燥过程有效减少缺陷的产生，使胶体微粒在干燥后依然能够保持紧密排列的结构，进而在粘结剂的作用下进一步改善胶体微球组装时产生的应力缺陷，从而使制得的光子晶体薄膜在保持表面完好的同时产生色彩饱满的六边辐射状的结构色。

实施例5～10及对比例1～4

实施例5～10及对比例1～4分别提供了一种无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于改变了步骤S1中疏水性二氧化硅粒子的含量或步骤S2中悬浮液内胶体微球和粘结剂的含量，其余步骤均与实施例1一致，在此不再赘述。各实施例及对比例对应的具体制备参数如表1所示。

表1实施例5～10及对比例1～4中的制备参数

对实施例5～10制备的光子晶体薄膜进行观察可以发现：实施例5～10制得的光子晶体薄膜表面均没有明显的缺陷，且在侧视状态下均能够发出蓝色的六边辐射状结构色。

进一步对比实施例5～6和对比例1～2制备的光子晶体薄膜可以发现，当不添加疏水性二氧化硅粒子时，制得的基板的疏水性相对较差，影响了胶体微球的紧密堆积，使制得的光子晶体薄膜表面出现少量缺陷；随着疏水性二氧化硅粒子含量的增加，基板的疏水性逐渐提高，制得的光子晶体薄膜表面缺陷减少，逐渐观察不到明显的缺陷；继续将疏水性二氧化硅粒子的含量增加至1.5wt％时，由于过多的疏水性二氧化硅粒子对基板表面的光滑度产生了影响，进而影响六边辐射状光子晶体结构色的完整度，导致对比例2制得的光子晶体薄膜的结构色完整度不佳。因此，为使制得的光子晶体薄膜在无明显缺陷的同时具有较高的结构色完整度，本发明优选疏水性二氧化硅粒子的含量为0.5～1.5wt％。

对比实施例9～10和对比例3～4制备的光子晶体薄膜可以发现，不在悬浮液中添加粘结剂时，由于胶体微球间仍存在一定的内应力，在其组装过程容易产生部分应力缺陷，从而影响光子晶体的外观。随着悬浮液中粘结剂含量的增加，对胶体微球组装时产生的应力缺陷起到了改善作用，使制得的光子晶体薄膜表面观察不到明显缺陷。继续增加粘结剂的含量至0.2wt％时，过多的粘结剂会对胶体微球本身的折射率造成影响，进而影响六边辐射状光子晶体结构色的饱和度，导致对比例4制得的光子晶体薄膜的色彩饱和度相对较差。因此，为使制得的光子晶体薄膜在无明显缺陷的同时具有较高的色彩饱和度，本发明优选粘结剂的含量为0.08～0.12wt％。

需要说明的是，以上实施例仅为列举的部分实施例。本领域技术人员应当理解，在步骤S2中，使用的胶体微球可以是二氧化硅微球、二氧化钛微球、聚苯乙烯微球或聚甲基丙烯酸甲酯中的任意一种。在步骤S3中，O型密封圈的外径可以是15～25mm，线径可以是3～5mm；干燥处理过程的温度可以在70～90℃之间进行调整，干燥时间也可以在10～14h之间进行调整，均属于本发明的保护范围。

综上所述，本发明提供了一种无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜及其制备方法。本发明通过制备超疏水基板，并在超疏水基板上放置O型密封圈，然后将含有胶体微球和粘结剂的悬浮液加入O型密封圈中，直至悬浮液铺满O型密封圈而不溢出；再进行干燥处理，待溶剂完全挥发后，得到了无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜。通过上述方式，本发明能够使胶体微球在超疏水基板和具有局限效应的O型密封圈的协同作用下紧密堆积排列，在此基础上再利用粘结剂进一步改善胶体微球组装时产生的应力缺陷，从而形成无明显缺陷的六边辐射状光子晶体薄膜；且整体制备工艺操作简单、耗时较少、成本较低，能够满足实际生产和应用的需求，具有较好的应用前景。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。