本申請涉及光子晶體材料，尤其涉及一種光子晶體薄膜及其制備方法與應用。

背景技術：

1、自然界中許多生物具有根據(jù)外部環(huán)境調(diào)節(jié)體表顏色的本領。生物可將環(huán)境信息轉(zhuǎn)化為生物電信號，并通過離子穿過細胞膜傳輸?shù)缴窠?jīng)系統(tǒng)，從而感知外部應變、觸覺、振動、溫度等。光子晶體材料受到生物調(diào)節(jié)體表顏色的啟發(fā)，對生物功能真實模擬，為人造皮膚和柔性傳感領域提供了新的思路，該材料的相關研究已經(jīng)引起了廣泛關注。一維光子晶體的晶體排列結(jié)構(gòu)可與入射光互相作用，產(chǎn)生可視化的結(jié)構(gòu)顏色。通過調(diào)節(jié)光子晶體的折射率和厚度(晶格間距)，光子晶體材料可以在短時間內(nèi)發(fā)生顏色變化。與傳統(tǒng)的染料和顏料相比，光子晶體周期性微結(jié)構(gòu)的光干涉產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)顏色具有全色域、不褪色、結(jié)構(gòu)和功能可修飾等特點，在傳感、裝飾、顯示、防偽、生物分析等領域具有廣泛的應用前景。

2、以凝膠作為彈性體與光子晶體基元材料的結(jié)合已被證明是高度有效的，但是根據(jù)已有報道，光子晶體基元材料和彈性體的有序組裝一直是難以解決的問題。常見的組裝方式有旋涂、3d打印、刻蝕或者利用非離子表面活性劑在溶劑條件下自組裝，但是上述的方案難以實現(xiàn)高度有序排列，同時制造步驟繁瑣，難以大規(guī)模生產(chǎn)。因此，現(xiàn)有技術還有待改進。

技術實現(xiàn)思路

1、鑒于上述現(xiàn)有技術的不足，本申請的目的在于提供一種光子晶體薄膜及其制備方法與應用，旨在解決光子晶體基元材料和彈性體難以實現(xiàn)高度有序排列的問題。

2、本申請的技術方案如下：

3、本申請的第一方面，提供一種光子晶體薄膜的制備方法，包括步驟：

4、(a)制備凝膠電解質(zhì)前驅(qū)液；(b)制備fe3o4磁性納米顆粒；(c)將fe3o4磁性納米顆粒與凝膠電解質(zhì)前驅(qū)液混合；(d)將(c)得到的混合溶液置于磁場中，并進行光固化處理，得到光子晶體薄膜。

5、優(yōu)選地，所述凝膠電解質(zhì)前驅(qū)液的制備方法包括步驟：(a1)將溶劑和鋰鹽混合，得到混合溶液；(a2)將4-丙烯酰嗎啉、交聯(lián)劑、引發(fā)劑加入到(a1)得到的混合溶液中，攪拌混合，得到凝膠電解質(zhì)前驅(qū)液。

6、優(yōu)選地，所述(a1)得到的混合溶液中鋰鹽的濃度為0.2-2mol/l，(a2)中交聯(lián)劑相對于彈性單體的摩爾百分比為0.03-0.3mol％，引發(fā)劑相對于彈性單體的摩爾百分比為0.4-5mol％；所述溶劑包括二甲基亞砜、水、乙醇、甲醇、氯仿、乙二醇、n,n-二甲基甲酰胺中的至少一種，所述鋰鹽包括雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰、氯化鋰中的至少一種，所述彈性單體包括丙烯酰胺、4-丙烯酰嗎啉中的至少一種，所述交聯(lián)劑包括聚乙二醇二丙烯酸酯、n,n’-亞甲基雙丙烯酰胺中的至少一種，所述光引發(fā)劑包括中1-羥基環(huán)己基苯基甲酮、過硫酸銨的至少一種。

7、優(yōu)選地，所述(c)中混合的具體步驟包括：將fe3o4磁性納米顆粒與凝膠電解質(zhì)前驅(qū)液混合后使用超聲分散，其中每10ml凝膠電解質(zhì)前驅(qū)液中分散2-15mgfe3o4磁性納米顆粒。

8、優(yōu)選地，所述(d)具體步驟包括：(d1)將(c)得到的混合溶液轉(zhuǎn)移至反應容器內(nèi)；(d2)將反應容器置于磁場下30-120s，使fe3o4磁性納米顆粒在混合溶液中有序排列，隨后進行光固化處理，得到所述光子晶體薄膜。

9、優(yōu)選地，所述反應容器選自玻璃容器、亞克力容器中的一種；所述反應容器的壁的厚度為0.2-5mm。

10、優(yōu)選地，所述磁場的磁感應強度為150-6000gs。

11、優(yōu)選地，所述光固化處理的步驟為將所述反應容器在紫外光下照射3-15min，所述紫外光的光源至所述反應容器的距離為3-30cm，所述紫外光的波長為365-395nm，功率為15-20w。

12、本申請的第二方面，提供一種采用本申請第一方面中的光子晶體薄膜的制備方法制備的光子晶體薄膜。

13、本申請的第三方面，提供一種采用本申請第二方面中的光子晶體薄膜在應力檢測中的應用。

14、與現(xiàn)有技術相比，本申請具有如下優(yōu)勢：

15、本申請中的光子晶體薄膜的制備方法，通過將fe3o4磁性納米顆粒與凝膠電解質(zhì)前驅(qū)液在磁場中混合，并進行光固化處理，使fe3o4磁性納米顆粒定向排列組成具有周期性的三維結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高度有序排列。并且本申請中的制備方法對制備儀器和反應條件要求低，方法簡單，有利于大規(guī)模生產(chǎn)。

16、進一步地，本申請中的光子晶體薄膜是水凝膠基質(zhì)(凝膠)、光子晶體基元材料(fe3o4磁性納米顆粒)、電解質(zhì)(鋰鹽)的結(jié)合。其中，fe3o4磁性納米顆粒本身與周圍介質(zhì)存在介電常數(shù)和折射率的明顯差異，從而產(chǎn)生光子帶隙結(jié)構(gòu)，具有調(diào)控光傳播的作用。當可見光通過光子晶體薄膜時，特定波長的光會被光子帶隙結(jié)構(gòu)調(diào)制，導致特定波長的光不能被反射，因此只能觀察到其互補色。當光子晶體薄膜在拉伸的過程中，納米顆粒之間的距離會改變，被調(diào)制的可見光波段也會隨之改變，從而實現(xiàn)薄膜顏色變化。除此之外，在拉伸的過程中，薄膜的電阻也會增大，導致薄膜兩端的電流變小，實現(xiàn)光子晶體薄膜對外界應力(包括拉力、剪切力、壓力等)的光信號/電信號的雙重響應。

技術特征：

1.一種光子晶體薄膜的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述凝膠電解質(zhì)前驅(qū)液的制備方法包括步驟：

3.根據(jù)權利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述(a1)得到的混合溶液中鋰鹽的濃度為0.2-2mol/l，(a2)中交聯(lián)劑相對于彈性單體的摩爾百分比為0.03-0.3mol％，引發(fā)劑相對于彈性單體的摩爾百分比為0.4-5mol％；

4.根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述(c)中混合的具體步驟包括：

5.根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述(d)具體步驟包括：

6.根據(jù)權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述反應容器選自玻璃容器、亞克力容器中的一種；所述反應容器的壁的厚度為0.2-5mm。

7.根據(jù)權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述磁場的磁感應強度為150-6000gs。

8.根據(jù)權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述光固化處理的步驟為將所述反應容器在紫外光下照射3-15min，所述紫外光的光源至所述反應容器的距離為3-30cm，所述紫外光的波長為365-395nm，功率為15-20w。

9.一種權利要求1至8任一項所述的制備方法制備的光子晶體薄膜。

10.一種權利要求9所述的光子晶體薄膜在應力檢測中的應用。

技術總結(jié)
本申請涉及光子晶體技術領域，具體公開一種光子晶體薄膜及其制備方法與應用。其中制備方法包括：(a)制備凝膠電解質(zhì)前驅(qū)液；(b)制備Fe<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;磁性納米顆粒；(c)將Fe<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;磁性納米顆粒與凝膠電解質(zhì)前驅(qū)液混合；(d)將(c)得到的混合溶液置于磁場中，并進行光固化處理，得到光子晶體薄膜。本申請中的光子晶體薄膜的制備方法，通過將Fe<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;磁性納米顆粒與凝膠電解質(zhì)前驅(qū)液在磁場中混合，并進行光固化處理，使制備光子晶體薄膜中的Fe<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;磁性納米顆粒定向排列組成具有周期性的三維結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高度有序排列，能夠?qū)崿F(xiàn)光子晶體薄膜對外界應力的光信號/電信號的雙重響應。

技術研發(fā)人員：錢亦健,趙復興,王金龍,俞書宏
受保護的技術使用者：南方科技大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/10