柔性自支撑PEGDA基光子晶体薄膜的构建与光学响应行为

来源 :潘梦瑶 |
光子晶体是由两种或者两种以上折射率不同的材料形成的人工微结构。光子晶体具有独特的光子禁带效应和明显的结构色,因此在光波导、激光器、光电子通讯、彩色显示、印刷、纺织、加密及防伪领域中具有广阔的应用前景。
光子晶体是由两种或者两种以上折射率不同的材料形成的人工微结构。光子晶体具有独特的光子禁带效应和明显的结构色,因此在光波导、激光器、光电子通讯、彩色显示、印刷、纺织、加密及防伪领域中具有广阔的应用前景。然而,由于光子晶体对基底依赖性强、刚性大、色泽暗淡且耐久性差,因此其实际应用范围被严重制约。因此,制备出兼具柔性和和自支撑功能的光子晶体材料,同时使其具有优异的结构色和良好的耐久性,对于推动光子晶体的长远发展具有重大意义。本文通过对材料体系的选择以及对工艺方案的设计,最终确定了使用单分散SiO2微球与聚合物聚乙二醇二丙烯酸酯(Poly(ethylene glycol)diacrylate,PEGDA)复合的思路,采用三步走新策略来制备柔性自支撑蛋白石结构的光子晶体薄膜。第一步利用蒸发诱导自组装让SiO2微球在液态的PEGDA预聚物中自组装成有序结构,得到具有结构色的SiO2-PEGDA浓缩液;第二步利用剪切力诱导成型的方式,将具有结构色的SiO2-PEGDA浓缩液渗透到两块载玻片形成的微小空隙中;第三步利用紫外光固化PEGDA预聚物,获得固态SiO2-PEGDA复合光子晶体薄膜。移除载玻片基底后,可获得柔性自支撑的光子晶体薄膜材料。PEGDA聚合物网络对SiO2微球良好的粘结性赋予了SiO2-PEGDA光子晶体薄膜良好的耐久性和自支撑特性;PEGDA聚合物的高体积占比(60%~75%)赋予了SiO2-PEGDA光子晶体薄膜极高的柔性。此外,通过HF溶液刻蚀除去SiO2-PEGDA光子晶体薄膜中的SiO2微球,可获得柔性更高的反蛋白石结构的PEGDA光子晶体薄膜。研究SiO2-PEGDA光子晶体薄膜的微观结构和光学性能,发现该光子晶体薄膜中存在有序多晶及晶界无序区共存结构,SiO2微球在有序结晶区的排布方式与面心立方结构(111)面的排布方式一致,在无序区呈现散乱排列。多晶结构的形成机制可通过成核-生长机理来解释。多晶结构赋予了SiO2-PEGDA光子晶体薄膜变角度变色、弯折不变色特性,SiO2和PEGDA相近的折射率赋予了薄膜极高的透明度。SiO2-PEGDA光子晶体薄膜在进行10000次弯折测试后,其光学性质和结构依然保持不变,证明其具有高柔性。反蛋白石结构的PEGDA光子晶体薄膜和蛋白石结构的SiO2-PEGDA光子晶体薄膜具有相似的结构和光学性质,且对水分子具有良好的光学响应能力。论文研究了上述两种柔性自支撑的光子晶体材料在防伪领域的应用。根据SiO2-PEGDA光子晶体薄膜具有高透明度、变角度变色以及弯折不变色的特点,制作了在低光照强度下隐形、高光照强度下变角度变色的防伪标签。根据反蛋白石结构的PEGDA光子晶体薄膜对水分子具有良好的光学响应能力,利用亲疏水改性方法,制备了能够在显微镜下实现隐形、施加水蒸汽刺激后能够显现的光子晶体图案。文献报道的隐形光子晶体图案都是通过单一的中心反射波长(结构色)信息进行识别,本论文制备的图案则通过亮度和中心反射波长双重光学信息进行识别。通过水蒸汽刺激同时调节亮度和中心反射波长,此特性还未见报道。此外,该隐形光子图案还具有极快的显现速度(1.0 s)和恢复速度(2.2 s),可作为结构色防伪领域理想的候选材料。
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