功能化光子晶体薄膜的制备及性能研究

论文摘要

光子晶体（PC）材料是一种由不同介电常数材料构成的具有周期性结构的材料,最主要的特征是具有光子禁带（PBG）,当光子禁带的频率区域位于可见光区域时,能够衍射结构色。目前,具有光子晶体结构的材料已被广泛应用于功能材料之中。其中,光子晶体传感材料是科学家研究的主要方向,这是由于光子晶体能够衍射结构色,具有裸眼快速检测的优点。本文以聚乙烯醇（PVA）水凝胶作为基质,制备了二维（2D）和三维（3D）的PVA水凝胶基凝胶光子晶体膜,探讨了凝胶光子晶体膜的显色性能,并研究了其在传感检测领域的应用。对于二维光子晶体的研究,首先,通过无皂乳液聚合法制备了粒径均一的聚苯乙烯（PS）胶体微球,之后采用掩膜辅助光聚合的工艺,制备了一种具有隐形标记功能的2D凝胶光子晶体薄膜,实验结果发现:该2D凝胶光子晶体膜最初是透明的,浸润超纯水后可以观察到光子晶体膜显色后产生红色图案（632 nm）和绿色背景（540 nm）的高清对比。然后,选择粒径600 nm的PS微球,通过物理交联方法制备PVA水凝胶基2D光子晶体薄膜,之后利用4-硼苯甲醛（4-BBA）对PVA凝胶进行功能化改性。探讨了改性过程中交联时间对凝胶光子晶体膜的灵敏度的影响。根据凝胶光子晶体膜的性质,将其应用于人工泪液中葡萄糖浓度的响应实验。实验结果表明:改性后的4-BBA-PVA水凝胶光子晶体膜能够对葡萄糖具有较好选择性,在低浓度范围（00.6 mM）内,凝胶光子晶体膜的衍射波长与葡萄糖浓度具有线性相关性。对于三维光子晶体,我们通过无皂乳液聚合法制备了单分散性良好的聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）胶体微球,通过改变单体的用量制备不同粒径的纳米微球。采用物理固化的方式,以PVA为基质,制备出了具有高透明度的PVA基PC薄膜。通过改变PMMA胶体微球的粒径可以调控禁带区域以覆盖紫外区域。实验结果表明:PC-150薄膜具有78.89%的UV-365屏蔽性能和85%的高透明度。同时禁带范围位于可见光区域的PC膜在滤色材料领域有着广阔的应用前景。然后,我们利用冷冻-解冻法制备了具有自修复性能的水凝胶光子晶体,实验结果说明,控制冷冻时间12 h,解冻时间1 h,PVA水凝胶具有良好的自修复性能。进一步,我们采用马来酸酐对PVA进行功能化修饰,使其对Ni2+有响应,测定了在不同pH条件下功能化凝胶PC膜对Ni2+响应的反射光谱,实验结果表明,在pH=5条件下,凝胶PC膜对Ni2+的响应最好,且随着Ni2+浓度增大,衍射波长偏移量增大。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 光子晶体
•   1.3 光子晶体特征
•     1.3.1 光子禁带
•     1.3.2 结构色与衍射特性
•     1.3.3 光子局域
•     1.3.4 负折射效应
•   1.4 光子晶体制备方法
•     1.4.1 胶体微球自组装法
•     1.4.2 刻蚀法
•     1.4.3 多光束干涉法
•   1.5 光子晶体的应用
•     1.5.1 传感器
•     1.5.2 波导与集成电路
•     1.5.3 光纤与太赫兹技术
•     1.5.4 太阳能电池
•   1.6 课题研究内容
• 第二章 光子晶体隐形标记的研究
•   2.1 引言
•   2.2 实验部分
•     2.2.1 仪器和设备
•     2.2.2 药品和试剂
•     2.2.3 单分散聚苯乙烯（PS）微球的制备
•     2.2.4 自组装光子晶体的制备
•     2.2.5 凝胶光子晶体的制备
•     2.2.6 测试与表征
•   2.3 结果与讨论
•     2.3.1 PMCC的表征和自组装条件分析
•     2.3.2 具有隐形图案的凝胶光子晶体的性能检测
•   2.4 本章小结
• 第三章 光子晶体用于泪液中葡萄糖浓度的检测
•   3.1 引言
•   3.2 实验部分
•     3.2.1 仪器和设备
•     3.2.2 药品和试剂
•     3.2.3 单层胶体晶体的制备
•     3.2.4 葡萄糖响应性GMCC的制备
•     3.2.5 测试与表征
•   3.3 结果与讨论
•     3.3.1 PC材料的结构特点讨论
•     3.3.2 交联时间对PC传感材料的灵敏度影响
•     3.3.3 PC材料用于泪液中葡萄糖浓度的检测
•     3.3.4 GMCC对葡萄糖响应的可逆性分析
•   3.4 本章小结
• 第四章 光子晶体滤色图层的制备及性能检测
•   4.1 引言
•   4.2 实验部分
•     4.2.1 仪器与设备
•     4.2.2 药品和试剂
•     4.2.3 PMMA纳米微球的制备
•     4.2.4 物理交联法制备凝胶光子晶体
•     4.2.5 测试与表征
•   4.3 结果与讨论
•     4.3.1 CC-PVA薄膜的表征
•     4.3.2 CC-PVA薄膜的性能检测
•   4.4 本章小结
• 第五章 自修复凝胶光子晶体
•   5.1 引言
•   5.2 实验部分
•     5.2.1 仪器与设备
•     5.2.2 药品与试剂
•     5.2.3 PVA 水凝胶的制备及自修复性能实验
•     5.2.4 一锅法制备PVA水凝胶基光子晶体材料及其自修复性能检测
•     5.2.5 重金属离子响应性凝胶PC膜的制备
• 2+的检测'>    5.2.6 重金属Ni²⁺的检测
•     5.2.7 测试与表征
•   5.3 结果与讨论
•     5.3.1 水凝胶自修复性能的讨论
•     5.3.2 凝胶PC材料的自修复性能讨论
• 2+的响应讨论'>    5.3.3 修饰过的凝胶PC膜对Ni²⁺的响应讨论
•   5.4 本章小结
• 第六章 结论
•   6.1 全文总结
•   6.2 课题延伸
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 董志强

导师: 陈诚,张建鹏

关键词: 光子晶体,结构色,传感器,紫外屏蔽

来源: 上海第二工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,化学,材料科学,工业通用技术及设备

单位: 上海第二工业大学

分类号: TB383.2;O734

总页数: 58

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