【摘要】：光子晶體是由兩種或兩種以上不同介電常數(shù)的介質周期性排布形成的。響應性光子晶體的光子帶隙在外界刺激下會發(fā)生改變,因此其在傳感、顯示、檢測等領域具有重要的應用價值。以膠體晶體為模板制備的光子晶體具有顯著的優(yōu)點,因此成為光子晶體材料的研究熱點之一。磁性納米粒子在磁場下能快速組裝成規(guī)整的一維鏈狀結構,磁性納米粒子快速組裝的特點大大縮短光子晶體的制備時間,因此磁性納米粒子也常用作光子晶體的組裝單元。響應性光子晶體可用于檢測機械刺激(應力刺激)�，F(xiàn)有的機械響應性光子晶體存在靈敏度不高、制備方法復雜、機械穩(wěn)定性差等方面的問題。另外一方面,基于響應性光子晶體制備的圖案化光子晶體在信息存儲、防偽等方面具有潛在應用價值。已有的基于響應性光子晶體制備圖案化光子晶體的方法存在的制備過程復雜,制備得到的光子晶體材料存在的單色性不好或者不能實現(xiàn)全色調控等問題。本論文以磁性納米粒子為組裝單元,設計制備了機械響應性光子晶體和圖案化光子晶體,主要成果如下:(1)設計了一種操作簡單、可高效調控機械靈敏度的機械響應性光子晶體材料制備方法。利用一步溶劑熱的方法制備碳包覆的四氧化三鐵(Fe_3O_4@C)納米粒子,Fe_3O_4@C作為組裝單元與丙烯酰胺(AM)、模板分子聚乙二醇(PEG)共混,該混合物在磁場存在的情況下進行紫外光聚合制備得到PEG摻雜的Fe_3O_4@C/聚丙烯酰胺(PAM)水凝膠光子晶體膜,在純水中浸泡除去PEG模板分子從而得到具有豐富孔結構的Fe_3O_4@C/PAM水凝膠光子晶體膜。研究PEG摻雜量對Fe_3O_4@C/PAM水凝膠光子晶體膜的機械靈敏度的影響。對比不同PEG摻雜量的Fe_3O_4@C/PAM水凝膠光子晶體膜在相同壓力下的波長位移,PEG摻雜量高的Fe_3O_4@C/PAM水凝膠光子晶體膜具有更大的波長變化。結果表明,通過提高PEG的摻雜量,Fe_3O_4@C/PAM水凝膠光子晶體膜的機械靈敏性有顯著的提升。通過在制備過程中摻雜不同含量的PEG分子就可制備具有不同機械靈敏度的Fe_3O_4@C/PAM水凝膠光子晶體膜,而且改變PEG的含量對水凝膠膜的機械靈敏度的調控非常高效,利用PEG摻雜的方法可得到高機械靈敏度的光子晶體膜。(2)發(fā)展了一種具有光/熱可調控的、結構色鮮艷并且可實現(xiàn)全色顯示特點的圖案化光子晶體的制備方法。利用一步溶劑熱的方法制備Fe_3O_4@C納米粒子。Fe_3O_4@C納米粒子在磁場下組裝的同時,利用紫外光固化的方法將組裝好的一維納米鏈固定在聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)凝膠內部,制備得到Fe_3O_4@C/PNIPAM光子晶體膜。Fe_3O_4@C/PNIPAM光子晶體膜在AM預聚體溶液中充分溶脹后,在具有特定圖案的掩膜存在的條件下對其進行紫外光聚合制備得到局部具有PNIPAM/PAM互穿網(wǎng)絡(IPN)的Fe_3O_4@C/PNIPAM光子晶體膜(PNIPAM-PNIPAM/PAM光子晶體膜)。在初始狀態(tài)(25℃)下,制備的圖案化光子晶體膜圖案不可見,在熱刺激下可實現(xiàn)圖案顯現(xiàn)的轉變過程。制備的圖案化光子晶體膜具有光熱轉換性質,在光刺激的作用下圖案也可顯現(xiàn)。圖案化光子晶體膜在整個圖案顯現(xiàn)的過程,顏色變化覆蓋了整個可見光波長范圍,因此該圖案化光子晶體膜可實現(xiàn)全色顯示。增加圖案化光子晶體膜的PNIPAM/PAM互穿網(wǎng)絡區(qū)域占據(jù)的比例能夠提高PNIPAM區(qū)域的熱響應程度。
【圖文】：

1 緒 論1.1 光子晶體1.1.1 光子晶體的概念光子晶體是由兩種或兩種以上的介質周期性排布形成的結構有序的材料，最早在1987 年由 Yablonovitch 和 John 提出[1, 2]。早期發(fā)現(xiàn)的自然界中光子晶體的主要呈現(xiàn)形式是蛋白石結構，它是球形二氧化硅納米顆粒的有序沉積以及受水流和重力的擠壓形成的[3]。隨后，隱藏在自然界中的各種具有光子晶體結構的生物逐漸被科研工作者發(fā)現(xiàn)。野西瓜苗中著色部分隨著觀測角度的變化會呈現(xiàn)藍色、綠色和黃色，這是由于其內部具有一維的光柵結構[4]。澳大利亞小甲蟲的外殼從任何一個角度看都呈金屬綠色，這是由于其類似蛋白石的光子晶體結構導致的[5]。具有規(guī)整微結構的大閃蝶的翅膀顯現(xiàn)出鮮艷的藍色，它被乙醇浸潤后可由藍色變?yōu)榫G色[6]。（如圖 1.1）

(a) 一維光子晶體，(b) 二維光子晶體，(c) 三維光子晶體[7]。 光子晶體的性質光子晶體的周期性結構賦予其獨特的光學特征。當電磁波在具有周期性結傳播時，由于存在布拉格衍射電磁波受到調制形成能帶結構，能帶與能帶隙，即光子帶隙。如果光子能量處在光子帶隙內，則電磁波不能在該晶體中地說，光子晶體具有波長選擇的功能，可以有選擇地使某個波段的光通過波長的光通過其中。光子晶體滿足布拉格衍射定律：mλ=2ndSinθ，其中 m λ 是衍射波長，n 是體系的平均折射系數(shù)，，d 是晶格間距，θ 是入射光角度3）當衍射波長落在可見光波長范圍時，光子晶體材料所具有的結構色裸眼
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O734

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本文編號：2594842