[發明專利]在超疏水生物體或超疏水仿生物體的表面制備無裂紋光子晶體的方法

有效

• 申請號: 201110355462.1
• 申請日: 2011-11-10
• 公開（公告）號: CN103103601A
• 公開（公告）日: 2013-05-15
• 發明（設計）人: 陳碩然;王京霞;宋延林
• 申請（專利權）人: 中國科學院化學研究所
• 主分類號: C30B5/00
• 分類號: C30B5/00;C30B29/58;C30B29/16
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 李柏

技術領域

本發明涉及高質量無裂紋光子晶體的制備方法，特別涉及在超疏水生物體或超疏水仿生物體的表面制備高質量自支撐無裂紋蛋白石結構的光子晶體，及制備高質量自支撐無裂紋反蛋白石結構的光子晶體的方法。

背景技術

“光子晶體”這一概念首次被提出是在1987年，這種折光指數周期性排列的材料對光子具有特殊的調控能力，這一點使其在光學器件、全色顯示、生化檢測等領域具有廣泛而深遠的應用前景。早期光子晶體的制備多采用微加工的方法，這種方法較為復雜，且成本較高。并且近年來，由于微加工方法本身的技術瓶頸，這一傳統的制備光子晶體的方法越來越難以滿足光子晶體在可見光區以及更短波長范圍內的應用。這時，通過膠體小球自組裝制備得到光子晶體的方法，由于其操作方法簡便，成本價格低廉，引起了研究人員的廣泛而濃厚的研究興趣。然而，通過膠體粒子自組裝制備光子晶體的過程中，乳膠粒子會由于干燥收縮以及粒子間的相互作用而在基材表面發生移動，但基材與乳膠粒子間的黏滯力又阻止了乳膠粒子的移動，因此會在光子晶體的內部產生應力，并最終導致產生裂紋。這種裂紋的產生嚴重破壞了光子晶體的周期性結構，破壞了光子晶體的光學特性，極大地限制了其在各領域的實際應用。研究者們為解決這一問題已經開展了一系列的工作。例如：采用特殊模板輔助自組裝過程(C.J.Jin，N.P.Johnson，Nano?Lett.2005，5，2646-2650)、在自組裝之前將乳膠粒子通過高溫進行預收縮(D.J.Norris，Appl.Phys.Lett.2004，84，3573-3575)以及避免干燥過程(T.Sawada，Adv.Funct.Mater.2005，25；T.Sawada，Langmuir?2009，13315)等方法從防止乳膠粒收縮的角度，避免裂紋的產生；或者，采用在液體表面進行自組裝(Zentel?R.，Chem.Mater.2002，14，4023-4025)以及通過特殊物質誘導光子晶體從高堆積密度鏡面向低堆積密度晶面轉變(B.Hatton，L.?Mishchenko，S.Davis，K.H.Sandhage，J.Aizenberg，PNAS，2010，107，23，10355)使乳膠粒子各向同性收縮，不在基材上發生移動，由此避免了光子晶體在自組裝過程中產生裂紋的問題。然而，上述這些避免光子晶體裂紋的方法中，或多或少地存在以下幾個缺點：1.成本相對較高，制備過程繁瑣；2.對環境有污染，存在安全隱患；3.在低堆積密度晶面上雖然避免了裂紋，卻沒有解決高堆積晶面上裂紋的問題；4.都僅適用于某些特定的乳膠粒子，不具有普適性。為了進一步推動光子晶體的實際應用，簡單、經濟、環保、安全的普適性制備方法一直以來都是科研工作者不懈努力的研究方向。中科院化學所的宋延林研究組將單分散乳膠粒通過重力沉積方法，在采用特殊方法制備得到的物體超疏水表面上進行自組裝，制備得到了大面積自支撐無裂紋的光子晶體。本發明在該工作的基礎上，簡化甚至省去了制備物體超疏水表面的步驟，將乳膠粒子通過重力沉積方法組裝在超疏水生物體或超疏水仿生物體的表面上，制備得到了大面積、高質量、自支撐、無裂紋的光子晶體，本發明操作簡單、成本低廉、環境友好，并且具有非常好的普適性，這對于推動光子晶體的實際應用具有重大的意義。

發明內容

本發明的目的是提供一種操作簡單、成本低廉、環境友好，并且具有很好普適性的在超疏水生物體或超疏水仿生物體的表面制備高質量自支撐無裂紋蛋白石結構的光子晶體，及制備高質量自支撐無裂紋反蛋白石結構的光子晶體的方法。

本發明的在超疏水生物體或超疏水仿生物體的表面制備無裂紋光子晶體的方法：將單分散微球分散在水中形成乳液，在溫度為5～95℃、濕度為5～95％的條件下，將乳液置于超疏水生物體或超疏水仿生物體的表面，依靠乳液中單分散微球自身的重力作用進行沉積，便可以簡便地在超疏水生物體或超疏水仿生物體的表面上制備得到由上述單分散微球自組裝形成的高質量自支撐無裂紋蛋白石結構的光子晶體。

將上述制備得到的高質量自支撐無裂紋蛋白石結構的光子晶體作為犧牲模板，在構成所述犧牲模板的單分散微球之間的空隙中填充功能性物質之后，再進一步除去所述的犧牲模板，就能夠制備得到高質量自支撐無裂紋反蛋白石結構的光子晶體。

在所述的作為犧牲模板的單分散微球之間的間隙中填充功能性物質的方法選自滴涂、浸涂、電化學沉積、化學氣相沉積及提拉填充法中的一種。

所述的除去所述的犧牲模板所采用的方法選自煅燒、有機溶劑(如：甲苯或四氫呋喃等)溶解及氫氟酸溶解方法中的一種或幾種。所述的煅燒溫度優選是160℃～600℃。