凝胶光子晶体

光子晶体是一种介电常数（或折射率）可以周期性调制的结构,其自激辐射抑制和光子局域化性质使其可以简便而有力的限制、控制和调控光子。近年来,利用胶体晶体自组装性质与水凝胶的传统应用相结合制成的凝胶光子晶体在药物释放、光学开关、金属探针、生物传感器等的新应用方面的研究蓬勃发展,在新材料开发及临床应用等方面取得巨大进展。本文概述了胶体晶体自组装并对该类凝胶光子晶体进行了分类介绍并对其发展趋势进行了评述和展望。     

三维胶体光子晶体对光的调控与应用研究

21世纪在光子技术领域中操控光子已成为核心的研究内容.胶体光子晶体因其特殊的周期结构而具有光子禁带的特性,从而可以对特定频率的光进行调控,其应用涵盖了光、电、催化、传感、显示、检测等众多领域,为光功能材料的结构设计和性能优化提供了参考依据.本文主要从两个方面阐述近年来胶体光子晶体对光的调控作用与应用,一方面,光子晶体的...     

梯度结构胶体光子晶体的制备及光子禁带调节

以改进的对流自组装方法制备层数可控的胶体光子晶体, 并通过各向同性氧等离子体(O₂ Plasma)刻蚀构造出梯度结构, 进一步通过金(Au)及无定形硅(Si)的可控沉积调节梯度结构胶体光子晶体的光子禁带, 并将该梯度结构用于罗丹明B的荧光发射增强.     

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.     

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.     

聚苯乙烯光子晶体高效制备

以苯乙烯单体为原料,采用一步聚合自组装法制备了具有蛋白石结构的聚苯乙烯(PS)光子晶体(1);以1为模板制备了反蛋白石结构的TiO2光子晶体(2)来验证1的有序性;探讨了1的制备机理。1和2的结构和形貌经IR,SEM和TEM表征。讨论了乳化剂SDS的用量对PS微球排列有序性的影响。结果表明,SDS用量在30 mg～74 mg时,PS微球的粒径不断减小,微球排列的有序性受到影响;当SDS用量为52 mg时,PS微球排列的有序性最佳,能够形成蛋白石结构的1;2在大范围内有序排列进一步证明了1的高度有序性。     

光子晶体的制备与应用进展

光子晶体概念的提出到现在已有20多年,由于其特有的带隙和缺陷结构可实现对光子传播的控制,与传统的基于半导体晶体的电子技术相比更具优势,是未来光子计算机和光子通讯技术研发的核心。近年来,基于新材料、新方法制备的具有复杂结构的光子晶体不断涌现,其应用范围也从较早的波导、光开关、反射镜拓展到传感器、超棱镜、微透镜、太阳能电池、增强LED发光、光存储、生物芯片、仿生等新兴领域。本文结合了最新的研究状况,探讨了光子晶体的制备与应用进展。     

自组装方法与三维光子晶体制作

光子晶体,特别是三维光子晶体,可能成为信息处理和通信等领域的新型功能材料.光子晶体的制作方法可分为"自上而下"的物理方法和"自下而上"的化学自组装方法.化学自组装方法是制作三维光子晶体最为经济有效的方法.本文在阐述自组装方法的种类、一般过程、优点和不足等内容的基础上,分别分析和总结了带有各种功能缺陷的三维光子晶体的制作,这些缺陷主要包括线缺陷、面缺陷和点缺陷.从研究中可以看出,化学自组装方法通常需要结合其他方法才能实现缺陷的嵌入.近些年,三维光子晶体制作在材料选取、结构设计和方法改进等方面都有一些最新进展,本文对此进行了较为详尽的评述,并对我们课题组的研究进行了总结.最后对光子晶体的研究和制作方向进行了展望.     

胶体晶体研究进展

重点阐述了有关胶体晶体的制备方法、以胶体晶体为模板制备的大孔材料，以及利用胶体晶体的三维有序结构、结构颜色等特性制备光子晶体、传感器等研究的进展。     

胶粒晶体模板法制备三维有序大孔材料

使用胶粒模板法制备三维有序大孔材料（three-dimensional ordered macroporous material,3DOM）是一个快速发展的领域。本文综述了3DOM的合成技术,包括各种填充模板的方法、模板的去除方法以及它们在光子晶体、催化材料、生物传感器以及医学等方面的应用前景。     

甲基丙烯酸/丙烯酰胺双单体共聚反蛋白石光子晶体的制备

以烧结后的二氧化硅光子晶体为模板,采用溶胶凝胶法向模板间隙填充以甲基丙烯酸(MAA)和丙烯酰胺(AM)为双功能单体,N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)为交联剂的聚合物前驱液,制备了甲基丙烯酸/丙烯酰胺共聚(PMAM)双单体反蛋白石凝胶光子晶体.通过紫外可见光谱分析表明,反蛋白石结构的凝胶膜对pH响应范围在4.0～7.0之间.由于其不受离子强度的影响,除了可以作为pH传感器外,还可以作为金属离子及生物小分子等分子印迹光子晶体传感器的基体膜.     

化学响应性光子晶体

光子晶体是一种具有光子带隙结构的周期性电介质材料,如果将响应性材料组装到光子晶体结构中,所形成的光子晶体的带隙结构则对外界环境的变化具有响应性,而被称为响应性光子晶体。响应性光子晶体作为光子晶体的一个新领域,由于其在传感器,生物医学,临床检测等方面的潜在应用,近几年受到广泛关注。根据外界环境的不同,响应性光子晶体可简单分为化学响应性光子晶体、物理响应性光子晶体和生物响应性光子晶体等。本文将对化学响应性光子晶体的国内外研究动态做一简要介绍,重点介绍以下五种化学响应性光子晶体:金属离子响应光子晶体、pH响应光子晶体、氧化还原响应光子晶体、葡萄糖响应光子晶体和光化学响应光子晶体。     

胶态磁组装分子印迹光子晶体及其对L-苯丙氨酸的响应性

将胶态磁组装光子晶体与分子印迹技术结合, 通过磁场诱导快速、 可逆地组装得到一种灵敏度高、 选择性强且响应速度快的胶态磁组装分子印迹光子晶体(CMA-MIPCs), 并将其用于L-苯丙氨酸(L-Phe)分子的响应性研究. 结果表明, 细乳液聚合法制得的L-Phe磁性分子印迹纳米粒子(MMIPs)具有规则的球形形貌和明显的核-壳结构, 平均粒径为104.3 nm. CMA-MIPCs对L-Phe分子的识别可直接通过光学信号进行表达, 当L-Phe的浓度从6.0×10^-7 mol/L增加至6.0×10^-4 mol/L时, CMA-MIPCs的衍射色发生从紫色到深黄色的明显变化, 最大衍射峰位置红移181 nm, 响应过程仅需1 min. CMA-MIPCs对L-Phe的结构类似物L-酪氨酸(L-Tyr)和L-色氨酸(L-Trp)均无响应性, 表明CMA-MIPCs具有良好的选择性.     

Patterned Colloidal Photonic Crystals

Colloidal photonic crystals (PCs) have been well developed because they are easy to prepare, cost‐effective, and versatile with regards to modification and functionalization. Patterned colloidal PCs contribute a novel approach to constructing high‐performance PC devices with unique structures and specific functions. In this review, an overview of the strategies for fabricating patterned colloidal PCs, including patterned substrate‐induced assembly, inkjet printing, and selective immobilization and modification, is presented. The advantages of patterned PC devices are also discussed in detail, for example, improved detection sensitivity and response speed of the sensors, control over the flow direction and wicking rate of microfluidic channels, recognition of cross‐reactive molecules through an array‐patterned microchip, fabrication of display devices with tunable patterns, well‐arranged RGB units, and wide viewing‐angles, and the ability to construct anti‐counterfeiting devices with different security strategies. Finally, the perspective of future developments and challenges is presented.     

TiO2光子晶体的光子带隙及其应用

最近利用TiO₂光子晶体控制光子的研究取得了一定进展。本文概述了TiO₂光子晶体的分类、性质、制备和应用。TiO₂光子晶体在反射器件、光电转换、化学传感器和光催化等方面应用前景广阔,目前,可见光和近红外波段的TiO₂光子晶体的合成是工作的难点,本文对今后TiO₂光子晶体的研究提出了展望。     

二维光子晶体

光子晶体是一种介电常数周期变化的功能材料,其基本特征是具有光子带隙。光子晶体理论诞生已三十年,基于理论及实验的研究取得了许多成绩。当所制备的光子带隙与光波的波长相当时,光子晶体材料抑制光子在一定频段内的传播。由于在光学、电学、热学、磁学等方面均有优良特性和潜在应用,光子晶体作为一种新型材料也越来越受到科研人员的青睐。不论在可加工性方面还是在传播特性方面,二维光子晶体的优势正逐渐体现出来。本文重点阐述二维光子晶体的研究进展,分别介绍了二维光子晶体的结构与性能特点以及近年来发展出的新型制备方法,如自组装法、刻蚀法、多光束干涉法等,并着重列举其在传感器、波导、光纤、太赫兹技术等领域的发展现状,表明二维光子晶体作为超材料具有巨大的发展空间和潜力。最后,本文对二维光子晶体今后的研究方向和发展前景作了展望。     

Liquid Photonic Crystals for Mesopore Detection

Nitrogen adsorption–desorption for mesopore characterization requires the using of expensive instrumentation, time‐consuming processes, and the consumption of liquid nitrogen. Herein, a new method is developed to measure the pore parameters through mixing a mesoporous substance with a supersaturated SiO₂ colloidal solution at different temperatures, and subsequent rapid measurement of reflection changes of the precipitated liquid photonic crystals. The pore volumes and diameters of mesoporous silica were measured according to the positive correlation between unit mass reflection change (Δλ/m) and pore volume (V), and the negative correlation between average absorption temperature (T) and pore diameter (D). This new approach may provide an alternative method for fast, convenient and economical characterization of mesoporous materials.     

电场响应光子晶体

光子晶体是一种介电常数周期变化、具有光子带隙、对光路可控的新型功能材料。将对外界刺激敏感性材料引入光子晶体空隙就得到可响应光子晶体。电场响应光子晶体是由电活性材料与光子晶体结构相结合所得,可以应用于反射型彩色显示并表现出其他显示技术所没有的独特优点。本文重点介绍了电场响应光子晶体器件的结构和响应机理,并按照引入电活性材料的不同将电场响应光子晶体分为基于液晶、聚电解质水凝胶、金属有机聚合物凝胶、导电聚合物以及核壳式电场响应光子晶体,总结了近几年各类电场响应光子晶体的研究进展,提出了在反射型彩色显示器件方面的应用以及存在的问题和展望。     

P(St-NIPAm)核-壳纳米粒子的制备及其光子晶体薄膜

以过硫酸铵为引发剂,固定反应单体物质的量之比,采用一步无皂乳液聚合法,制备粒径不同的聚(苯乙烯-N-异丙基丙烯酰胺)纳米粒子,研究了反应单体用量对纳米粒子粒径的影响;然后利用简单的垂直沉积法,在载玻片上自组装光子晶体薄膜。结果表明:制备的纳米粒子具有较高的单分散性并呈明显的核-壳结构,其粒径与反应单体用量呈线性关系;薄膜中纳米粒子呈面心立方紧密堆积,薄膜厚度约8μm;薄膜光子禁带的实验测量值与理论计算值基本一致,且禁带与纳米粒子粒径呈线性关系;当反应单体的总物质的量分别为20,25,30,35mmol时,自组装成的光子晶体薄膜的颜色分别呈蓝紫、蓝绿、黄绿和橘红色。     

Polymeric One‐Dimensional Photonic Crystals by Continuous Coextrusion

It is shown that narrowband one‐dimensional photonic crystals can be fabricated from polymeric materials using laboratory scale layer‐multiplying coextrusion technology. The tuning of the photonic bandgap is demonstrated with films that selectively filter different regions of the visible electromagnetic spectrum. The layer uniformity of the photonic crystals is evaluated by comparing the measured UV‐vis transmission spectra with model simulations, and is independently confirmed with atomic force microscopy. Assemblies of alternating polystyrene and poly(methyl methacrylate) layers exhibit a narrow reflection band with close to 100% reflection in good agreement with the prediction for uniform layers. The flexibility of the process is demonstrated by the fabrication of elastomeric one‐dimensional photonic crystals. It is anticipated that this technology will enable the rapid and facile realization of new polymeric optical devices.