TiO2掺杂调控聚苯乙烯微球折射率及胶体光子晶体结构色

胶体光子晶体由于其可调变的结构色在绿色印刷、印染等领域备受关注,而其光子带隙的宽度和位置由光子晶体的晶格参数(晶面间距,通常受胶体微球尺寸影响)和介质的折射率决定。现有人工胶体光子晶体主要基于SiO_2和高分子(如聚苯乙烯(PS)等)微球的组装制备,由于胶体微球材质种类有限,折射率调控受限,因而目前调控胶体光子晶体结构色主要靠改变胶体微球的尺寸来实现。本文首先制备高折射率(2.6)的TiO_2纳米晶,在乳液聚合制备单分散的PS(折射率1.6)微球过程中,将所制备的TiO_2纳米晶掺杂于PS微球中,通过TiO_2的掺杂量有效调控胶体微球的折射率,进而实现胶体光子晶体的结构色调控。以多色胶体光子晶体微球的水溶液为墨水,采用彩色喷墨打印技术打印了电脑设计的光子晶体彩画。本文发展的光子晶体结构色调控新技术拓展了胶体光子晶体的应用。     

微凝胶胶体晶体研究进展

Poly(N-isopropylacrylamide)(PNIPAM)微凝胶粒子是一种软的胶体粒子.和单分散的SiO_2、PS、PMMA等硬的胶体粒子一样,单分散的PNIPAM微凝胶粒子也可以自组装成为高度有序的胶体晶体.微凝胶粒子软物质的特性及其对外部刺激的响应性赋予其不同于硬球的组装行为.微凝胶胶体晶体的高度有序结构及其刺激响应性使其在诸多领域有重要用途.本文分别介绍了三维及二维微凝胶胶体晶体组装的研究进展,并对已开发的基于微凝胶胶体晶体的应用进行了总结.     

ZnO光子晶体的制备和光学特征

通过制备过程中严格分离晶核的形成和生长两步骤, 成功获取了直径一致的单分散ZnO胶体球, 并通过控制晶核的数量来调节胶体球大小. 利用扫描电子显微镜和X射线衍射仪对其进行了结构和成分表征. 通过加热条件下的重力场自组装, 把ZnO单分散胶体球的浓缩液滴到140 ℃下的各种不同的基底上, 随着溶剂蒸发, 胶体球自组装成光子晶体, 最后测量了光子晶体的光透过率, 胶体球直径为220、250 nm的光子晶体分别具有对应着中心波长为460、540 nm的光子带隙.     

蒸发自组装法制备聚苯乙烯胶体晶体

采用乳液聚合法制得亚微米级聚苯乙烯单分散微球,并用蒸发自组装法在乳液气-液界面进行自上而下的层层组装,制得了厚度在450μm以上的三维有序胶体晶体。结果表明,影响胶体晶体有序性的关键因素是对蒸发速度的控制,促使胶体晶体规则排列的最主要作用力为溶液的毛细管力。在胶体晶体组装末期,随着溶剂量的减少,空间阻力逐渐增大,微球对流能力下降,造成胶体晶体的有序性降低。     

漂浮法制备SiO2有序大孔材料

用漂浮组装方法以亚微米尺度单分散的聚苯乙烯(PS)微球作为模板, 在悬浮液气-液界面处组装PS模板微球与纳米级胶体颗粒, 形成二元胶体颗粒共混物, 再去除模板得到有序大孔材料.     

悬浮液气-液界面二元胶体颗粒的漂浮组装机理

提出一种在悬浮液气-液界面漂浮组装亚微米单分散聚苯乙烯(PS)微球和纳米SiO2颗粒二元胶粒晶体的新方法, 并系统研究了漂浮组装机理. 研究表明, 聚苯乙烯微球和二氧化硅两种胶体颗粒在悬浮液气-液界面的漂浮组装是以PS微球的组装为主导的. 在一定PS微球相浓度范围内, 悬浮液中PS 微球与SiO2颗粒的初始体积配比基本不影响PS微球有序组装的形成. PS微球粒径在150-500 nm时易于形成有序排列, 较小或较大粒径的PS微球难以形成有序排列. SiO2颗粒的组装是一种以PS微球为“基底”的沉积过程. 二元胶粒晶体中SiO2颗粒的体积分数由其在混合悬浮液中的相浓度所决定.     

二氧化钛反蛋白石薄膜的制备及其在化学传感器中的应用

用提拉成膜法将单分散295 nm聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)胶体微球自组装成蛋白石光子晶体膜. 在PMMA蛋白石光子晶体膜的空隙里填充15 nm二氧化钛纳米颗粒, 经500 ℃的处理除去PMMA膜板, 制备出大面积, 结构均一的二氧化钛反蛋白石光子晶体膜. 扫描电子显微镜(SEM)观察和X射线光电能谱(XPS)分析表明, 这种二氧化钛反蛋白石光子晶体薄膜是六方紧密堆积. 用这种二氧化钛反蛋白石光子晶体膜对溶液折射率的检测实验表明该传感膜分辨率可达0.01.     

流动控制沉积法制备PMMA叠层光子晶体薄膜及其光学性能研究

采用流动控制沉积法, 通过调控泵速和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)胶体微球溶液的浓度, 制备出微球排列高度有序且薄膜紧密附着于基底的高质量光子晶体薄膜. 获得了制备高质量PMMA光子晶体薄膜的组装条件范围, 发现在该条件范围内, 当泵速或胶体微球溶液浓度一定时, PMMA光子晶体薄膜的厚度随胶体微球溶液浓度的增加或泵速的降低而增加. 研究了组装条件对PMMA光子晶体薄膜光学性能的影响, 发现光子禁带位置随光子晶体薄膜厚度增加或减少而红移或蓝移. 在此基础上, 控制组装条件得到了不同尺寸微球堆叠而成的叠层光子晶体薄膜, 并研究了其光学性能的变化规律. 结果显示, 叠层光子晶体薄膜的光子禁带峰为各层叠层光子晶体禁带峰的简单叠加, 且峰强度受光入射角方向影响.     

胶体晶体自组装排列进展

自组装排列胶体晶体是发展光子晶体等亚微米周期有序结构及新型光电子器件十分重要的环节.高电荷密度单分散胶体球在较弱的离子强度和稀浓度下会自发排列形成紧密堆积的周期性结构(ccp),常常是面心立方(fcc),科学家们以此为基础发展了多种结晶化胶体粒子的方法,包括重力场沉积、电泳沉积、胶体外延技术、垂直沉积、流通池、物理束缚排列及其他的许多方法.目前排列的胶体粒子基本为球形,材料也多为SiO2、PS、PMMA,此外一些复合粒子,主要为核壳粒子的排列这里也稍作介绍,这些方法及其变通的使用可以形成类蛋白石及反蛋白石结构,最终实现光子带隙及其它多种用途。     

聚苯乙烯光子晶体的制备及其在传感中的应用

以基于毛细作用的垂直沉积法将单分散的二氧化硅胶体微球自组装成光子晶体．在二氧化硅光子晶体的多孔结构里填充聚苯乙烯甲苯溶液,经甲苯挥发,通过氢氟酸处理去除二氧化硅模板,制备出精美的聚苯乙烯光子晶体．研究表明：保留了模板有序多孔结构的聚苯乙烯能被用来作为敏感膜,这使得其在基于折射率变化的传感应用中具有潜在的价值．     

改性聚苯乙烯微球的制备及其胶体晶体的组装

采用甲基丙烯酸改性的无皂乳液聚合方法制备了尺寸为210 nm、含羧基的聚苯乙烯(PS)微球，用红外光谱、透射电子显微镜和粒度分析仪对其形状和结构进行分析，结果表明，经甲基丙烯酸改性后得到了表面为高密度电荷的单分散性PS微球.用垂直沉积法快速制备出在较大范围(大于1 cm2)呈现很好有序性的密排结构聚苯乙烯胶体晶体薄膜，其在590 nm波长处存在光子带隙.在电子显微镜下，观察到这种胶体晶体是面心立方(fcc)密排结构.     

胶体晶体微球及其生物医学应用

光子晶体(PhCs)是由单分散纳米粒子周期性排列形成的材料,具有光子禁带,频率落在光子禁带内的光被禁止传播,这个特性激起了研究者对其制备和应用的研究热情。然而,一般的光子晶体材料都具有角度有偏性质,限制了其在宽视角光学材料和设备上的应用。近几年有一系列围绕球形胶体光子晶体材料的研究成果问世,由于球形的对称性,球形胶体晶体的衍射峰不会随着光的入射角变化而发生变化,从而拓宽了胶体晶体的应用范围。随着微流控技术被用于制备液滴模板,球形胶体晶体的制备取得了巨大的进步。微流控技术不仅保证了液滴模板的单分散性,还增加了胶体晶体微球的结构与功能的多样性。胶体晶体微球这些特有的性质,可以很好地将光子晶体材料与编码、非标记检测、细胞培养以及载药等生物医学领域连接起来,为其应用提供了广阔的前景。本文总结了球形光子晶体的研究进展,包括球形光子晶体的设计、制备及其生物医学应用,最后,对球形光子晶体未来的发展方向作了展望。     

胶体晶体

简要综述胶体晶体的研究进展情况,主要介绍胶体粒子的简单自组装、模板引导下的自组装和二元胶体晶体组装等几类主要的胶体晶体制备技术,并概述胶体晶体在光子晶体、传感器、光子纸张、三维有序大孔材料、二维纳米结构阵列等方面的应用。     

SiO_2@PANI光子晶体的制备及电致变色性能研究

应用Stber法合成单分散SiO2微球,通过垂直沉积自组装光子晶体,由电化学法在所组装的SiO2微球表面生成聚苯胺(PANI),得到了核-壳结构SiO2@PANI光子晶体薄膜.测试了SiO2@PANI光子晶体薄膜的循环伏安曲线、多电位紫外吸收光谱、对比度、响应时间等电致变色性能,结果表明,该光子晶体薄膜在变色时颜色亮丽,其最大对比度可达77%,远高于单纯PANI薄膜的43%,同时响应时间变快.初步实验结果说明将光子晶体结构引入导电聚合物中,能够提高其电致变色性能.     

金属AI薄膜基微池强制沉积胶体光子晶体的制备

强制沉积法是一种利用自组装原理快速沉积胶体晶体有序阵列的模板方法.我们利用微机械刻划法加工金属Al薄膜,Al膜厚控制微粒粒径和聚醚砜膜厚控制层数,成功地制备了用于强制沉积光子晶体的微池装置.为了检验该微池装置的有效性,我们分别测试了不同粒径(224,245和283 nm)单分散聚苯乙烯微球的沉积效果,并且对其中一种微球(283 nm)进行了不同温度的烘干处理,检验了烘干温度对该样品表面形貌和光子带隙中心波长的影响.实验结果表明,该光子晶体呈面心立方结构,内部晶格完整,缺陷较少,带隙中心波长的实验值与计算值符合得较好.此外,烘干处理可以使构成光子晶体的微球发生微观变化,并导致光子带隙中心波长的蓝移.     

分子印迹胶体阵列检测对硝基苯酚

以对硝基苯酚(p-NP)为印迹模板,丙烯酰胺为功能单体,制备单分散的对硝基苯酚分子印迹胶体微球。通过垂直沉降法将分子印迹胶体微球自组装为分子印迹胶体阵列,采用胶带将分子印迹胶体阵列粘贴固定。固定于胶带上的分子印迹胶体阵列膜显示出良好的稳定性,而且对目标分子p-NP具有明显的光学响应。分子印迹微球吸附目标分子发生溶胀,引起胶体阵列溶涨,分子印迹胶体阵列(MICA)反射峰位置发生移动。实验结果显示,MICA随着p-NP浓度增加,反射峰红移近60 nm,MICA表面颜色由红色逐渐变为蓝紫色;而非印迹胶体阵列红移量只约40 nm。MICA简化了光子晶体凝胶传感材料的制备步骤,为开发新型高性能生化传感器材料提供了新思路。     

金属Al薄膜基微池强制沉积胶体光子晶体的制备

强制沉积法是一种利用自组装原理快速沉积胶体晶体有序阵列的模板方法. 我们利用微机械刻划法加工金属Al薄膜, Al膜厚控制微粒粒径和聚醚砜膜厚控制层数, 成功地制备了用于强制沉积光子晶体的微池装置. 为了检验该微池装置的有效性, 我们分别测试了不同粒径(224, 245和283 nm)单分散聚苯乙烯微球的沉积效果, 并且对其中一种微球(283 nm)进行了不同温度的烘干处理, 检验了烘干温度对该样品表面形貌和光子带隙中心波长的影响. 实验结果表明, 该光子晶体呈面心立方结构, 内部晶格完整, 缺陷较少, 带隙中心波长的实验值与计算值符合得较好. 此外, 烘干处理可以使构成光子晶体的微球发生微观变化, 并导致光子带隙中心波长的蓝移.     

SiO2胶体晶体垂直沉积自组装方法的改进

采用垂直沉积技术及相应的改进方法,使用化学合成的400 nm单分散二氧化硅微球自组装制备了胶体晶体薄膜。通过扫描电镜与分光光度计对样品的微观结构与透过光谱进行了表征,并对比研究了不同的垂直沉积方法对胶体晶体的影响。结果表明,通过温度与流量控制两种改进手段,均能制备具有六方密堆结构周期排列的胶体晶体薄膜。在垂直沉积过程中适当的升高温度有利于降低胶体粒子的用量,而通过流量控制的垂直沉积技术则可以有效缩短自组装时间。通过调节蠕动泵改变液面与基板的相对运动速度,或者调控温度改变胶体溶液的蒸发速率,可在材料表面形成单层或多层的胶体晶体薄膜。改进的垂直沉积技术将有望应用于快速沉积大面积、高质量的胶体晶体材料。     

利用二氧化硅欧泊模板合成三维多孔金属镍

金属镍在高效催化剂、传感器、导电浆料、高密度磁记录材料、高性能电极材料等领域具有广阔的应用前景,在材料科学和凝聚态物理领域引起了广泛的研究兴趣。多孔金属镍结构由金属镍骨架及孔隙所组成,与致密块体镍相比,其内部具有大量的孔隙,因而具有诸多优异的特性,如密度小、比表面积大、光学性能优异等。多孔金属镍可用来制作过滤器、催化剂及催化剂载体、多孔电极等[1]。1987年Yablonovitch[2]和John[3]几乎同时提出了光子晶体这一新概念和新材料。构成三维模板的途径之一是在液体中自组装成具有光波量级的单分散胶体微球——胶体晶体,这…     

垂直排列法组装胶体晶体的最新进展

光子晶体是一种具有光子带隙的新型功能材料.利用胶体粒子自组装三维光子晶体由于其制备过程比较经济、简单,从而为很多人所关注.目前报道的方法已有多种.其中垂直排列法的简便易行使得其受到了广泛的研究,但另一方面这种方法本身的缺点也限制了它的使用范围.针对这种情况,很多研究机构提出了他们的改进方法.本文简要概述了在这一方面的最新进展,并且在本实验室已能够制备任意单分散、均一尺寸二氧化硅粒子的基础上,采用恒温快速蒸发自组装法得到了高质量的胶体晶体排列.