專利名稱：一種快速制備大面積蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及納米材料制備領域，特別涉及一種快速制備大面積蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的方法。
背景技術(shù)：
光子晶體是由周期性排列的不同折射率的介質(zhì)制造的規(guī)則光學結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的基本特征就是具有光子帶隙。處于光子帶隙中的光子不能夠在光子晶體中傳播。由于光子晶體能夠?qū)膺M行調(diào)控，因此，它在激光器、光學元件、光纖、高效發(fā)光二極管等領域有著重要的應用。蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體是由單分散的膠體粒子立方密堆積而成的，它可以通過膠體粒子的自組裝方法得到。相比于其它結(jié)構(gòu)的光子晶體，膠體自組裝方法具有相對簡單、廉價等優(yōu)點。并且，基于這種結(jié)構(gòu)可以得到反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體，因此受到了廣泛的關注。通常蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體是以單分散的Si02、PS (聚苯乙烯)或PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)亞微米球為原料，通過重力沉降自組裝、離心沉降自組裝、垂直/斜面自組裝、提拉自組裝等方法制備的。然而，這些方法往往需要數(shù)小時甚至數(shù)天的時間完成，得到的光子晶體面積小，不具有實際應用價值。雖然通過控制自組裝時的溫度、壓強等條件，在一定程度上縮短了制備時間，但采用這些輔助方法也會提高成本，也不便于大規(guī)模應用。P.Jiang等將刮涂法(doctor blading)應用在了蛋白石結(jié)構(gòu)/反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的制備中，解決了大規(guī)模制備的問題(參見Large-Scale Colloidal Self-Assemblyby Doctor Blade Coating, Langmuir, 2010 年第 26 卷 13173 頁)。但是他們提出的刮涂法方案并沒有顯著節(jié)省制備時間，而且直接得到的是一種蛋白石/反蛋白石復合結(jié)構(gòu)，需要較復雜的后處理才能夠得到蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就是克服現(xiàn)有的蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的制備過程耗時長、難以大規(guī)模化的問題，提出一種廉價、簡單、快速、易于放大的蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體制備方法。為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種制備蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的方法，包括:將單分散亞微米球分散在水和有機溶劑的混合溶液中，得到亞微米球分散液，將所述亞微米球分散液作為原料，用刮涂的方式在基底上制備蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體。優(yōu)選地，上述方法還具有以下特點:所述亞微米球的材料為二氧化硅、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯，或者為改性修飾的二氧化硅、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。優(yōu)選地，上述方法還具有以下特點:所述單分散亞微米球的粒徑為100 lOOOnrn。

優(yōu)選地，上述方法還具有以下特點:
在所述亞微米球分散液中，亞微米球的體積濃度為10% 50%。優(yōu)選地，上述方法還具有以下特點:所述有機溶劑能與水混溶，為甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、乙二醇、1，2-丙二醇、二甘醇、甘油、丙酮、甲酸、乙酸、三氟代乙酸、四氫呋喃、1，4-二氧六環(huán)、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、嗎啉、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、二甲亞砜、N-甲基吡咯烷酮中的一種或多種。優(yōu)選地，上述方法還具有以下特點:在所述亞微米球分散液中，水與有機溶劑的體積比為1:10 10:1。優(yōu)選地，上述方法還具有以下特點:所述基底為玻璃片或硅片。優(yōu)選地，上述方法還具有以下特點:所述刮涂的方式是指:將亞微米球分散液涂布于基底的表面；刮涂的速度為0.1 10cm/s。優(yōu)選地，上述方法還具 有以下特點:將涂布于基底上的亞微米球分散液在室溫下自然干燥，不需要加熱或氣流的輔助。與現(xiàn)有的蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體方法相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:I)制作過程簡便易行、容易控制。2)通過控制混合溶劑的體積比，采用刮涂法，可快速獲得高質(zhì)量蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體。3)本方法易于制備大面積蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體。


圖1為采用本發(fā)明的一種快速制備大面積蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的方法獲得的，粒徑300nm左右的聚苯乙烯蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的實物照片。圖2為采用本發(fā)明的一種快速制備大面積蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的方法獲得的，粒徑300nm左右的聚苯乙烯蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的紫外可見反射光譜圖。
具體實施例方式下文中將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互合理組合。在本發(fā)明中，將單分散亞微米球分散在水和有機溶劑的混合溶液中，得到亞微米球分散液，將所述亞微米球分散液作為原料，用刮涂的方式在基底上制備蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體。具體地，可包括如下步驟:(I)將一定粒徑尺寸的二氧化硅或聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯或上述材料的改性亞微米球均勻分散于水和有機溶劑的混合溶液中。在本實施例中，亞微米球的平均粒徑范圍為100 lOOOnm，體積濃度為10 50%，優(yōu)選為30%。水與有機溶劑的體積比為1:10 10:1。所使用的有機溶劑為能夠與水混溶的常用有機溶劑，包括甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、乙二醇、1，2-丙二醇、二甘醇、甘油、丙酮、甲酸、乙酸、三氟代乙酸、四氫呋喃、1，4-二氧六環(huán)、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、嗎啉、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、二甲亞砜、N-甲基吡咯烷酮中的一種或多種，優(yōu)選為乙醇；(2)將洗凈的玻璃片或硅片作為基底，水平放置于桌面上，并用膠帶固定；(3)取一定量的分散液滴在基底的一端，以膠帶為墊片，將分散液刮涂在整個基底上，刮涂速度為0.1 10cm/s ；(4)室溫下干燥，0.1 10分鐘內(nèi)水和有機溶劑蒸發(fā)完，即得到蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體。以上所述的整個制備方法中，沒有使用任何特殊的化學試劑，也沒有用到特殊的儀器設備；從分散液的制備到獲得蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，耗時在10分鐘之內(nèi)；所制備出的蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的面積僅取決于基底的面積。因此，本發(fā)明能夠廉價、簡單、快速且易于放大地制備出蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體。本發(fā)明所涉及的蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，采用刮涂法獲得，所得到薄膜用紫外-可見吸收光譜、微區(qū)光譜儀進行表征。除非另有說明，本文中的本發(fā)明薄膜表征都是在室溫下進行的。下面以一個具體的實施例進一步說明本發(fā)明。實施例:(I)采用商品 或自己合成的聚苯乙烯亞微米球，通過超聲和攪拌，均勻分散在水和乙醇的混合溶液里，聚苯乙烯微球、水與乙醇的體積比為3:2:5 ；(2)取25.4X76.2 X Imm的載玻片，依次用去離子水和乙醇洗凈，吹干；(3)將載玻片水平放置于桌面，用約50 y m厚的透明膠帶將其兩個較長邊緣固定在桌面，并作為刮涂時的墊片；(4)取約50 ii L聚苯乙烯亞微米球分散液，滴在載玻片未被膠帶覆蓋部分的一端；(5)用玻璃棒壓在載玻片兩側(cè)的膠帶上，以0.5cm/s的速度從滴有分散液的一端勻速移動至空白的一端，使分散液涂滿載玻片的上表面；(6)在20°C室溫下，分散液中的乙醇和水在0.1 10分鐘之內(nèi)完全蒸發(fā)；(7)除去膠帶，即得到載玻片基底上，面積10cm2以上的蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體。如圖1和圖2所示，分別為采用本發(fā)明的方法獲得的，粒徑300nm左右的聚苯乙烯蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的實物照片和紫外可見反射光譜圖。其中，在圖2的紫外可見反射光譜圖中，峰的位置反映出了組裝成圖1中實物的聚苯乙烯亞微米球的粒徑大小；而峰的高度以及峰的寬度則反映出了蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的微觀有序性的大小。粒徑越大，則峰中心位置對應的波長就越大；峰的寬度越窄、峰與基線的高度差越大，則微觀有序性越高，蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的質(zhì)量越高。從圖2中給出的信息，可以計算出原料聚苯乙烯亞微米球的大小，還可以得到峰高與基線高度之差(即帶隙深度)。表I給出了采用本發(fā)明提出的“一種快速制備大面積蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的方法”制備聚苯乙烯小球的光子晶體。每一種條件下，聚苯乙烯亞小球在分散液中的體積含量均為30%。表I基 于聚苯乙烯小球的光子晶體薄膜
權(quán)利要求
1.一種制備蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的方法，其特征在于，包括:將單分散亞微米球分散在水和有機溶劑的混合溶液中，得到亞微米球分散液，將所述亞微米球分散液作為原料，用刮涂的方式在基底上制備蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 所述亞微米球的材料為二氧化硅、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯，或者為改性修飾的二氧化硅、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 所述單分散亞微米球的粒徑為100 lOOOnm。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 在所述亞微米球分散液中，亞微米球的體積濃度為10% 50%。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 所述有機溶劑能與水混溶，為甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、乙二醇、1，2-丙二醇、二甘醇、甘油、丙酮、甲酸、乙酸、三氟代乙酸、四氫呋喃、1，4-二氧六環(huán)、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、嗎啉、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、二甲亞砜、N-甲基吡咯烷酮中的一種或多種。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 在所述亞微米球分散液中 ，水與有機溶劑的體積比為1:10 10:1。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 所述基底為玻璃片或硅片。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 所述刮涂的方式是指:將亞微米球分散液涂布于基底的表面； 刮涂的速度為0.1 10cm/s。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 將涂布于基底上的亞微米球分散液在室溫下自然干燥，不需要加熱或氣流的輔助。
全文摘要
本發(fā)明公開一種快速制備大面積蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的方法，包括將單分散亞微米球分散在水和有機溶劑的混合溶液中，得到亞微米球分散液，將所述亞微米球分散液作為原料，用刮涂的方式在基底上制備蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體。本發(fā)明提供的方法具有廉價、簡單、快速、易于放大的優(yōu)勢，適用于蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的大規(guī)模制備。
文檔編號C30B5/00GK103243376SQ20131014702
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月25日
發(fā)明者孟慶波, 肖俊彥, 李冬梅, 羅艷紅 申請人:中國科學院物理研究所