反蛋白石光子晶体的研究进展

反蛋白石晶体是一类重要的光子晶体,由于其制备材料的广泛性以及容易实现对光子禁带的多重调制而受到广泛关注.本文介绍了目前反蛋白石晶体结构的主要制备技术和方法,详细阐述了反蛋白石晶体结构的最新研究进展.     

反蛋白石光子晶体凝胶的pH响应

首先采用Stber方法制备了一系列亚微米级单分散二氧化硅小球,而后通过垂直沉降自组装方法制备了颜色鲜艳的二氧化硅三维有序结构胶体晶体模板,最后再采用模板聚合法在220 nm二氧化硅小球自组装的阵列间隙中共聚甲基丙烯酸和乙二醇二甲基丙烯酸酯,经氢氟酸刻蚀二氧化硅模板后得到多孔有序的反蛋白石光子晶体.当pH值从5升至8时,反蛋白石凝胶光子晶体的反射峰波长从514 nm移动至590 nm,颜色变化显著,从蓝绿色变成红色,突变点为pH=6.5,而且pH响应在100 s左右即可达到平衡.对交联剂用量的研究结果表明,随着交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯用量从4%增加到16%,光子晶体响应pH时的红移量减小.     

硫化镉反蛋白石光子晶体制备及光解水制氢

对硫化镉反蛋白石结构光子晶体薄膜进行了可控合成,用巯基乙酸修饰的纳米晶和P(St-MMA-SPMAP)高分子小球共组装,成功地构筑了反蛋白石结构并用于可见光光解水产氢。结果表明,在可见光(λ≥420 nm)照射下,Cd S-310反蛋白石结构薄膜的光解水产氢性能比硫化镉纳米颗粒提高了一倍。这主要是因为等级孔结构反蛋白石光子晶体特性对催化剂的光催化性能的提升:首先,反蛋白石的周期性结构增加了光子在材料中的传播,提高了催化剂对太阳光的利用率;同时,大孔孔壁是由纳米颗粒堆积而成的,在反应中提供了更多的反应活性位点;此外,孔结构有利于物质的传输和分子的吸附。     

HCl/NH_3敏感的卟啉-二氧化硅反蛋白石光子晶体荧光传感器

将反蛋白石结构的光子晶体引入到腐蚀性气体检测体系,制备得到卟啉-二氧化硅反蛋白石光子晶体(TPP-SiO_2IOPCs)荧光传感器。相对于空白样,TPP-SiO_2IOPCs传感器实现了氯化氢(HCl)气体检测信号200倍的增强,这主要归因于反蛋白石型光子晶体的大孔结构和慢光子效应。同时,TPP-SiO_2IOPCs传感器对于HCl气体的猝灭效率可达75%,比空白样的提高了25%,而且经HCl气体处理后的传感器通入氨气(NH_3)后,初始的荧光强度几乎完全恢复。在HCl和NH_3条件下进行5个循环后,TPP-SiO_2IOPCs传感器表现出良好的可重复使用性。该研究对于发展高效的荧光传感器提供了新的思路。     

蛋白石及反蛋白石結構光子晶體

光子晶体是由不同介电常数的材料构成的一种空间周期性结构，它能够在特定方向上禁阻、控制和操纵光子的运动。目前，已制备的光子晶体具有几种不同的结构类型，本文主要综述了蛋白石、反蛋白石结构光子晶体的制备方法及其光子带隙的影响因素。     

官能化反蛋白石结构光子晶体的构筑及对肝素的检测

制备了一种具有反蛋白石结构的光子晶体(IOPCs), 通过聚乙烯亚胺(PEI)实现了对该IOPCs的官能化; PEI官能化的IOPCs与肝素之间具有强静电作用, 从而可利用其对肝素进行特异性检测. 研究结果表明, 随着肝素浓度的增加(0~10 ^-4 mol/L), 官能化IOPCs的布拉格衍射峰最大位移约为40 nm; 肝素浓度的对数与IOPCs的最大衍射波长位移具有良好的线性关系(R ²=0.99905), 检测限为10 ^-10 mol/L. 该IOPCs具有较好的物理和化学稳定性, 且能重复用于肝素的检测, 具有良好的应用前景.     

三联噻吩衍生物功能化SiO2反蛋白石光子晶体荧光薄膜的制备及应用

将单分散聚苯乙烯微球乳液与SiO₂溶胶均匀混合后, 于恒温恒湿条件下, 竖直沉积共组装制备得到蛋白石型光子晶体薄膜, 然后利用牺牲模板法制得SiO₂反蛋白石光子晶体薄膜. 该薄膜依次经过浓硫酸与过氧化氢混合液、 3-氨丙基三甲氧基硅烷的甲苯溶液、 三联噻吩的三氯甲烷溶液和硼氢化钠的甲醇溶液处理后, 得到三联噻吩衍生物功能化的SiO₂反蛋白石光子晶体. 结果表明, 制备得到的光子晶体薄膜在512 nm处有荧光发射, 经紫外辐射后荧光猝灭, 甲醛气氛下458 nm处又出现新的荧光发射峰. 在甲醛气氛下20 s即可观察到荧光发射, 空气氛围下可恢复, 10次循环仍可保持强的荧光发射, 可重复性良好. 以无反蛋白石光子晶体结构的三联噻吩衍生物的平滑膜与甲醛作用的体系作为参比, 以330和400 nm聚苯乙烯微球为模板制备的三联噻吩功能化反蛋白石光子晶体, 在甲醛气氛中发射的荧光分别增强47.5和78.6倍. 这是由于光子晶体光子禁带的红带边和蓝带边与荧光发射波长相重叠, 产生了慢光子效应, 极大地增强了发射的荧光强度.     

碳化硅反蛋白石光子晶体的制备及表征

以聚硅乙炔为碳化硅前驱体, 用二氧化硅微球作为模板制备了反蛋白石结构的碳化硅光子晶体, 并对其耐热性进行了初步评价. 采用扫描电镜和透射电镜等方法对材料的多孔结构进行了表征, 利用X射线衍射对材料进行了物相分析, 并运用热重分析对材料的高温抗氧化性进行了初步表征. 结果表明, 制得的材料规整有序, 在空气气氛下900 ℃时残重为84%.     

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。     

Controllable Synthesis of Inverse Opal TiO2‐x Photonic Crystals and Their Photoelectric Properties

In this study, inverse opal TiO_2‐x photonic crystals (IO‐TiO_2‐x) have been successfully synthesized by a two‐step calcination. The whole synthesis is safe and feasible. Additionly, the reduction degree and the structure of IO‐TiO_2‐x can be precisely controlled. A series of IO‐TiO_2‐x samples with different reduction degree were prepared and characterized. The TEM images show that the obtained samples possess a 3D‐ordered macroporous inverse opal structure. The reduced Ti atoms/oxygen vacancies were confirmed by Raman and XPS spectroscopy. All IO‐TiO_2‐x samples showed better photoelectric properties than those of common TiO₂ which indicates their great potential to be applied to photoelectric fields. The improvement of photoelectric properties is attributed to the efficient electron‐hole separation efficiency induced by moderately reduced Ti atoms/oxygen vacancies. Meanwhile, the 3D‐ordered macroporous inverse opal structure and the band gap are regulated to “capture” more solar energy. This new approach is proven to be a meaningful method to synthesize high‐performance TiO₂ materials.     

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。     

Fabrication of BaTiO3 Inverse Opal Photonic Crystal

The colloidal crystal template or opal with a closed-packed face centered cubic (fcc) lattice, was prepared from monodisperse polystyrene (PS) spheres by gravity sedimentation. The template was used for the generation of photonic crystal. The template provided void space for infiltration of liquid precursor composed of titanium butyloxide, barium acetate, ethanol, and acetic acid. The opal composite was hydrolyzed, dried, sintered by heating for completely removing PS spheres to form BaTiO3 photonic crystals with inverse opal structure. The PS spheres were replaced by air spheres, which interconnected each other through the windows on the BaTiO3 wall.So both the BaTiO3 wall and air void constitute continuous phases.     

胶体自组装法形成光子带隙材料

光子带隙晶体使人们可以有效地控制和操纵光子,但是构建光子晶体,尤其是近红外及可见光区域的光子晶体是一个困难的工作,它对材料提出了很高的要求.本文从化学的角度,利用自组装方法,对胶体晶体和反蛋白石等类光子带隙材料包括半导体、金属、金属氧化物、聚合物、染料等进行较全面的介绍,同时介绍了如何从这些材料获得光子带隙.     

带隙可调各向同性蛋白石光子晶体的制备与研究

用旋涂法将聚苯乙烯微球组装成光子晶体,研究了此光子晶体的特点,并分析了在单一微球粒径下旋涂参数对光子带隙的影响.结果表明:旋涂法制备的光子晶体具有各向同性特点,其光子带隙由旋涂参数决定.光子晶体的反射波段取决于乳液中微球的质量分数,而反射强度取决于旋涂层数.因此,在设计光子晶体时,可以根据需要,通过微球的质量分数和旋涂...     

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。