磁性光子纳米棒的制备、光学性能及应用研究

摘要

响应性光子晶体可调的光子带隙和结构色使其在彩色显示、传感、防伪、伪装等领域有着广泛地应用前景。作为磁响应性光子晶体最小的结构单元，磁性光子纳米链表现出高的磁响应性和颜色分辨率而备受关注。但由于光子纳米链中相邻粒子被非响应性物质固定连接，这使其不仅失去了磁诱导晶格常数的变化，而且也不能进行非磁外场下的光子带隙调控。光子纳米链在磁场下的易沉降性是妨碍其光学稳定性的另一难题。本论文我们结合磁控组装与缓慢进行的溶胶-凝胶反应制备了Fe3O4@PVP@SiO2光子纳米棒，以其为组装基元构筑了磁响应性光子晶体。磁诱导晶格缺陷变化赋予了光子晶体丰富的光学性能。采用磁控组装与紫外光固化相结合的方法，通过固化时间的控制制备了Fe3O4@PVP@PNIPAM光子纳米棒。以其为显色单元制备了磁、温响应性的光子晶体琼脂凝胶膜，且凝胶网络对光子纳米棒运动的限域作用有效地解决了光子纳米链的沉降问题。本论文研制的光子纳米棒丰富可调的光学性能使其适用于先进防伪领域。论文的主要工作如下： （1）以磁场诱导Fe3O4@PVP胶体粒子组装的链状光子晶体结构为模板，聚丙烯酸（PAA）为γ-巯丙基三甲氧基硅烷（WD-80）的水解缩合反应催化剂，制备了Fe3O4@PVP@SiO2光子纳米棒平均棒长为1μm~4μm。 （2）平均棒长为1μm的典型光子纳米棒样品在磁场下的组装行为研究发现：随着磁场强度的增加，光子纳米棒依次发生旋转取向、拼接组装成长链、拼接的长链收缩变短等过程。在拼接的长链中包含磁性光子纳米棒固有的晶格常数和在相邻棒末端粒子间引入的晶格缺陷。晶格缺陷的尺寸和含量随磁场强度和磁场施加时间可调，从而赋予磁性光子纳米棒丰富的光学性能：随磁场强度的增加，光子纳米棒的衍射峰峰强不断提高，衍射峰位先保持不变，再依次发生红移和蓝移直至稳定。光子纳米棒丰富的光学性能也体现在定磁场下对磁场施加时间的依赖性。 （3）光子纳米棒结构参数对光学性能的影响规律研究发现，随着光子纳米棒平均棒长的增加，引入的晶格缺陷数目变少，衍射峰红移和蓝移范围均变窄。随着光子纳米棒固有粒子间距的增加，衍射峰红移过程消失。 （4）将Fe3O4@PVP@SiO2光子纳米棒典型样品的乙醇溶液封装在聚二甲基硅氧烷（PDMS）制备的光子晶体膜在不同磁场强度和磁场施加时间下均呈现出丰富的光学性能，且呈现出相应的颜色与亮度的变化，可用作防伪标签。 （5）在磁场作用下，将Fe3O4@PVP@PNIPAM光子纳米棒的分散液封装在琼脂凝胶中，制备了具有磁、温双响应的光子晶体膜。光学显微镜观察发现平均棒长为1μm的光子纳米棒典型样品在光子晶体膜中随外加磁场方向自由转动且未出现纳米棒的拼接组装行为，说明光子纳米棒的自由转动被限定在琼脂凝胶的微孔中，这与光子晶体膜衍射峰位随磁场强度增加保持不变相一致。在200 Gs的磁场强度下，6 h后光子晶体膜的衍射峰强度几乎不变，说明纳米棒在光子晶体膜内具有优异的悬浮稳定性。 （6）反射光谱测试结果表明光子晶体膜的磁响应性受琼脂骨架微孔尺寸和纳米棒长度的影响，随着微孔尺寸的降低衍射峰达饱和所需要的磁场强度逐渐增大。随着光子纳米棒平均棒长的增加，光子棒的取向方向逐渐被固定，当平均棒长大于3μm时，光子晶体膜丧失磁响应性。光子晶体膜表现出可逆的温敏响应性，在8℃-32℃范围衍射峰发生100 nm的蓝移且多次循环可逆性好。光子晶体膜的磁、温响应性使其在信息隐藏、防伪、标识等领域具有潜在的应用。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 响应性光子晶体简介及其光学性能特征

1.2 基于晶格常数(d)改变的响应性光子晶体

1.2.1 光子晶体墨水

1.2.2响应性光子晶体凝胶

1.3 基于折射指数(n)改变的响应性光子晶体

1.3.1 响应机理

1.3.2 基于物质交换的响应性光子晶体

1.3.3 基于相变材料的响应性光子晶体

1.4 基于角度(θ)改变的响应性光子晶体

1.4.1 响应机理

1.4.2 旋转取向型光子晶体

1.4.3 组装型光子晶体

1.5 课题的研究背景与研究内容

第二章 磁性Fe3O4@PVP@SiO2光子纳米棒的制备及晶格缺陷调控的光学性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂及仪器设备

2.2.2 Fe3O4@PVP@SiO2光子纳米棒的制备

2.2.3 光子晶体防伪标签的制备

2.2.4 样品的测试与表征

2.3 结果与讨论

2.3.1 Fe3O4@PVP@SiO2光子纳米棒的表征

2.3.2 Fe3O4@PVP@SiO2光子纳米棒的制备机理

2.3.3 Fe3O4@PVP@SiO2光子纳米棒的结构调控

2.3.4 典型的Fe3O4@PVP@SiO2光子纳米棒的光学性能研究

2.3.5 Fe3O4@PVP@SiO2光子纳米棒的光学性能的调控

2.3.6 光子晶体防伪标签

2.4 本章小结

第三章 磁响应性Fe3O4@PVP@PNIPAM/琼脂凝胶温致变色膜的制备、光学性能及应用研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂及仪器设备

3.2.2 Fe3O4@PVP@PNIPAM光子纳米棒的制备

3.2.3 磁响应性Fe3O4@PVP@PNIPAM/琼脂凝胶温致变色膜的制备

3.2.4 样品的测试与表征

3.3 结果与讨论

3.3.1 Fe3O4@PVP@PNIPAM光子纳米棒的表征

3.3.2 Fe3O4@PVP@PNIPAM/琼脂凝胶光子晶体膜的表征

3.3.3 Fe3O4@PVP@PNIPAM/琼脂凝胶光子晶体膜的制备原理与磁温响应性机理

3.3.4 Fe3O4@PVP@PNIPAM/琼脂凝胶光子晶体膜的磁温响应特性

3.3.5 Fe3O4@PVP@PNIPAM/琼脂凝胶光子晶体膜对信息的隐藏特性

3.4 本章小结

第四章 结论

致谢

参考文献

硕士期间已发表和待发表的科研成果