[發明專利]電控組裝三維光子晶體的方法

有效

• 申請號: 201210065397.3
• 申請日: 2012-03-13
• 公開（公告）號: CN102586883A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 陳義;廖滔
• 申請（專利權）人: 中國科學院化學研究所
• 主分類號: C30B30/02
• 分類號: C30B30/02
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 關暢

技術領域

本發明涉及一種電控組裝三維光子晶體的方法，屬于分析化學技術領域。

背景技術

光子晶體(PCs)是一種具有折射率呈周期性變化結構的材料。光子晶體的概念是由John和Yablonovitch在1987年分別提出，1999年被美國《科學》雜志列為當時的重大科學突破之一。光子晶體的制備就是要人工構造不同介電物質的周期性晶格結構的晶體。其制備方法可歸納為微加工、自組裝、控制組裝等三類方類。微加工技術借助計算機輔助，其加工技術選項豐富，有光刻、全息光刻、微機電加工等，但條件苛刻、成本高、推廣難度大。借助化學和物理等方法而發展起來的自組裝技術，成本低，選項亦多，主要有重力沉降、離心沉降、旋涂、蒸發誘導組裝等。重力沉降法速度慢，且對組裝顆粒的粒徑有限制。離心沉降需要借助高速離心機才可組裝，條件要求較高。旋涂方法簡單，但制備大面積光子晶體的質量不高，容易出現龜裂或局域化現象。蒸發誘導組裝速度過慢，常需要十幾小時或者幾天的時間。控制組裝可認為是一種特殊形式的自組裝技術，借助光、電、磁、溫度等來調控周期結構的形成，或改變光子晶體的響應特性。磁控組裝速度快，且組裝過程全部在溶液中進行，因此不會產生由于光子晶體干燥而帶來的龜裂現象，但需要磁性顆粒，常用的有在四氧化三鐵顆粒表面修飾PS制得，增加了制備單分散性顆粒的難度。溫度控制組裝光子晶體通過構建溫度梯度的方法實現，組裝速度比蒸發誘導快，但制備過程中由于光子晶體的干燥導致表面張力誘導的龜裂現象。用電控組裝的方法也有報道，在平板電極之間加入懸浮液，在電場作用下顆粒朝著其中一個電極運動組裝。但此種方法應該嚴格避免平板電極表面的電解現象，否則會破壞電極表面組裝的光子晶體結構，同時，此種方法不易在微通道內組裝，尤其是微流控芯片通道中組裝梯度光子晶體。

發明內容

本發明的目的是提供一種電控組裝三維光子晶體的方法，具體通過一種通用、簡單的電控技術實現微通道中納米顆粒的可控組裝。

本發明所提供的一種電控組裝三維光子晶體的方法，包括如下步驟：

(1)在微通道的兩個開口端處分別設置一儲液池；

(2)將凝膠顆粒加入至高離子強度緩沖溶液中配制懸浮液；

(3)將所述懸浮液加入至所述微通道中，然后將一與所述儲液池相匹配的凝膠填入至所述儲液池使其封堵所述微通道的開口；

(4)在所述微通道的兩端施加電壓，所述凝膠顆粒在所述電壓產生的電場的作用下向所述凝膠端做定向移動，依次組裝成所述三維光子晶體。

上述的方法中，所述微通道具體可為玻璃芯片微通道、PDMS-玻璃芯片微通道、PMMA-玻璃芯片微通道、聚碳酸酯芯片通道、石英毛細管，所述微通道的高度小于300μm。

上述的方法中，所述凝膠顆粒可為二氧化硅顆粒、聚苯乙烯(PS)微球、二氧化鈦顆粒或四氧化三鐵磁性納米顆粒；所述凝膠顆粒的球徑可為100nm～1μm，具體可為200nm、220nm、260nm、270nm、290nm或460nm，單分散性小于10％。

上述的方法中，所述高離子強度緩沖溶液可為Tris-硼酸緩沖溶液；所述懸浮液的質量分數可為5％～20％，如20％。

上述的方法中，所述凝膠具體可為聚丙烯酰胺凝膠或瓊脂糖凝膠。

上述的方法中，所述電壓可為10V/cm～200V/cm，如50V/cm，可為直流或者脈沖方波電壓。

上述的方法中，當所述凝膠顆粒帶負電時，填充所述凝膠的儲液池端與正極相連接，另一所述儲液池端與負極相連接，則所述凝膠顆粒在電場的作用下從負極向正極做定向移動，進而組裝成所述三維光子晶體；當所述凝膠顆粒帶正電時，填充所述凝膠的儲液池端與負極相連接，另一所述儲液池端與正極相連接，則所述凝膠顆粒在電場的作用下從正極向負極做定向移動，進而組裝成所述三維光子晶體；當所述凝膠顆粒為電中性時，可直接加電利用電滲作用驅動顆粒組裝。電控組裝過程中，使用相同材料和粒徑的顆粒配置的懸浮溶液，可在同一通道中組裝單段光子晶體；也可依次加入不同材料或粒徑的懸浮溶液，在同一通道中組裝成緊密連接的多段光子晶體，形成光子晶體梯度，其中，各段光子晶體的長度可通過調節組裝時間來控制。

上述的方法中，當所述微通道的寬度小于100μm時，所述方法還可包括對所述微通道進行修飾的步驟，所述修飾的步驟包括：用γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(γ-MPS)通過溶膠凝膠法在所述微通道內壁引入雙鍵，然后以過硫酸銨為引發劑將丙烯酰氨聚合修飾到所述微通道內壁以消除電滲；當所述微通道的寬度大于500μm時，可忽略電滲現象，只需用去離子水清洗所述微通道即可。