TiO2/SiO2光子晶体的层层自组装制备及其结构色性能研究

摘要

光子晶体具有光子带隙与光子局域等特征，因而可以控制光子的运动以操纵电磁波的传播进而产生色彩亮丽且饱和的结构色。光子晶体展现的结构色是光与纳米周期性结构相互作用产生的，其亮丽的色彩不易受自然环境的侵害，也不随时间的推移而变化。光子晶体结构色的研究十分广泛，一维异质结构光子晶体制备相对简单，结构色艳丽，是人工构筑结构色的重要途径之一。
　　本文采用TiO2纳米颗粒和SiO2纳米颗粒为组装异质结构光子晶体的组装单元，通过浸渍提拉层层自组装法，制备TiO2/SiO2光子晶体。
　　首先，酸性条件下水解钛酸丁酯制备TiO2溶胶，研究了水解pH值、反应时间、前驱体滴加时间、陈化时间、前驱体水解量对水解后的TiO2溶胶的影响。结果表明，pH=1.5、反应时间2h、滴加时间25min-45min、陈化4d、前驱体相对体积浓度小于3.0％时，所制备的TiO2溶胶粒径为8nm±1nm，单一分散性较高，Zeta电位在25mV以上。
　　其次，分别用聚乙烯胺、四乙烯五胺对SiO2溶胶进行物理改性，阳离子改性试剂3-氨丙基三乙氧基硅烷对SiO2溶胶进行化学改性。利用动态光散射仪DLS对改性前、后的SiO2的粒径以及Zeta电位进行测量。结果表明，简单的物理改性，不能够得到粒径变化不大、Zeta电位反转为正值的单一分散性较高的稳定性SiO2溶胶;化学改性后，SiO2纳米颗粒粒径几乎没有变化，且PDI小于0.20，电位由负值变为28mV±3mV，即可得到粒径几乎无变化、Zeta电位为正值的单一分散性较高的稳定性SiO2溶胶。
　　然后，研究了交替重复次数、底物SiO2溶胶浓度、使用AP-SiO2溶胶与否、SiO2溶胶pH值、提拉速率等因素对组装薄膜的影响。同等条件下，交替重复次数越多，薄膜越厚;底物SiO2溶胶浓度越小，薄膜越厚;阳离子改性的SiO2溶胶与SiO2溶胶组装成的薄膜的厚度高于阳离子试剂PVAm与SiO2溶胶组装成的薄膜的厚度;随着SiO2溶胶pH值的增大，吸附量减小;提拉速率为250μm/s的薄膜的厚度以及规整度均高于500μm/s的薄膜的厚度以及规整度。研究发现，薄膜以侧面膨胀模式增长。
　　最后，通过浸渍提拉层层自组装法组装了一系列的光子晶体，结果表明，高、低折射率区域的光学厚度适当，可组装出结构色较亮丽的光子晶体。随着Bragg堆叠数目的增加，反射率增大;随着入射角的增大，第一级反射波长向短波长处移动（蓝移）。