基于SiO2的多层结构生色薄膜的构筑及性能研究

• 作 者: 刘腾飞
• 出 处: 大连理工大学
• 发表日期: 2020年03期
• 关键词: SiO2胶体微球 双层光子晶体 “有序-无序-有序”三层光子结构 光子禁带 结构色

光子晶体是由两种或两种以上折射率不同的材料在空间周期性交替排列形成的有序结构,其对特定波长或波段的光子具有禁阻作用,具有光子禁带。当光子禁带处于可见光范围内时,会产生亮丽的结构色。胶体光子晶体由于其制备方法简单,成本低廉,且容易被修饰和功能化处理的特点,近年来得到了广泛的研究。由于光子晶体（PCs）的结构色具有角度和晶格常数依存性、耐光漂白和金属光泽等特性,近年来被广泛地应用在防伪、色彩显示和传感等领域。特别是,图案化的光子晶体为构建具有独特结构和特定功能的高性能PCs器件提供了一种新途径。SiO₂胶体微球,由于其制备及组装方法简单,是制备胶体光子晶体的理想材料之一。但是,单一粒径的微球组成的光子晶体具有特定的光子带隙,其颜色变化范围有限。为了丰富光子晶体的颜色,本论文开发了多带隙的光子晶体结构。（1）受颜色叠加理论的启发,本论文采用连续浸渍提拉的自组装方法构筑出具有双光子禁带的SiO₂光子晶体薄膜,此薄膜不但可以通过双光子禁带的叠加实现了结构色的混合,还可以随着入射光角度变化实现结构色的“循环”。首先,本文通过改良的St?ber法,制备了不同粒径的单分散SiO₂胶体微球,采用连续浸渍提拉不同粒径的SiO₂胶体微球的自组装方法成功的构筑了双层光子晶体薄膜。通过调控双层光子晶体中顶层光子晶体的厚度,成功地实现了结构色的混合,例如光子禁带分别在蓝色和绿色区域的双层光子晶体薄膜的结构色为青色。通过研究不同入射光角度下的双层光子晶体（210/250 nm）的反射光谱以及数码照片,本文总结了不同入射光角度下的双层光子晶体的结构生色规律。根据总结的不同入射光角度下双层光子晶体的结构生色规律,分别选取了粒径为250 nm和330 nm的SiO₂微球作为双层光子晶体的构筑单元,设计出了随着入射光角度的增大,结构色由绿色→品红色→橙色→黄色,最后回到绿色的颜色循环。此种结构色的角度依存性“违反”了布拉格衍射公式,因此为其在更高级的防伪领域中的应用提供了可能。（2）为了打破传统光子晶体结构简单,正反面结构色基本相同的桎梏,本文通过采用连续浸渍提拉→喷涂→浸渍提拉的自组装方法构筑了多层光子结构,在双层光子晶体的基础上引入了中间无序层作为光的遮挡层,当无序层的厚度足够时,其强的非相干散射作用,会阻止光在多层薄膜中透过,使多层光子结构中的顶层和底层光子晶体的结构色仅由其所在侧的光子禁带提供。然后,对多层光子结构中的中间无序层进行图案化处理,得到了正反两侧图案相同结构色类似,但背景色完全不同的多层光子结构。最后,在此工作的基础上分别对浸渍提拉的基底（载玻片）和构筑完成后薄膜的表面进行图案化处理,得到了正反两面图案和结构色完全不同且结构色均由其所在侧的光子晶体提供的多层光子结构薄膜。此多层薄膜丰富了光子晶体结构生色以及图案化的方式,为其在以后的防伪、色彩显示、传感等领域的应用提供了更多的可能。