蛋白石光子晶体结构色薄膜的研究

摘要

结构色是由物体的微观结构与可见光相互作用而产生的颜色，光子晶体具有光子带隙的特殊结构，当带隙范围落在可见光范围内时，特定频率的可见光将不能通过该蛋白石光子晶体继续传播，这些不能继续传播的可见光会被光子晶体反射，最后在其周期性结构的晶体表面形成相干衍射，而产生绚丽多彩的结构色。结构色具有高饱和度、高亮度、虹彩效应、偏振效应和永不褪色等优点，这些都是其他化学色不具有的，目前在光电功能材料、显示防伪材料、生物功能材料等方面都有十分广泛的应用。
　　本论文采用St?ber法合成了亚微米级的单分散二氧化硅微球，随后以微球自组装技术在玻璃基片表面制备了 SiO2蛋白石光子晶体结构色薄膜，后采用湿化学法制备了玻璃表面SiO2-ZnO和SiO2-ZnS复合结构的蛋白石光子晶体结构色薄膜、SiO2@ZnO核壳结构蛋白石光子晶体结构色薄膜。通过XRD、FT-IR、SEM分析了样品的物相组成和微观形貌，接着研究了蛋白石光子晶体薄膜的带隙特性，SiO2@ZnO核壳微球的光催化降解性能。
　　（1）以St?ber法合成了不同粒径的单分散、非晶态二氧化硅微球，采用XRD、SEM和FT-IR分析方法对其进行了分析表征。结果表明：实验所得的SiO2微球表面光滑、粒径分布均匀，尺寸在200-500 nm之间；研究了不同反应条件（氨水添加量、TEOS浓度、反应温度、反应时间）对 SiO2微球粒径大小的影响，获得了不同粒径微球的控制制备方法；采用差速离心法提高了制备微球的单分散性，使微球粒径的相对标准偏差从之前的6.42％减小到2.73%，单分散性获得较大提高。（2）将SiO2微球以垂直沉积自组装法在玻璃基片表面制备出SiO2光子晶体结构色薄膜，SEM分析表明经过自组装后得到的光子晶体微球呈面心立方结构堆积；采用反射光谱对光子晶体结构色薄膜的带隙性能进行了分析，结果表明随着微球粒径从229 nm增大到464 nm，反射光谱的峰值从494 nm处逐渐向842 nm的长波段移动，结构色薄膜的颜色也随着微球粒径的变大逐渐从紫色经绿色向红色变化，分析结果还发现反射光谱峰值与微球粒径间存在一定线性关系；将结构色薄膜在500℃热处理2 h，可以增强薄膜的附着强度，并能够保证薄膜的颜色不发生变化。
　　（3）在SiO2-ZnO和SiO2-ZnS复合结构光子晶体薄膜中，XRD分析表明填充后的复合光子晶体中有较强ZnO、ZnS的XRD衍射峰，ZnO和ZnS微粒粒径在几纳米到几十纳米之间；SEM表明填充后的ZnO、ZnS纳米微粒均匀的填补到 SiO2微球光子晶体的面心立方空隙中；通过对复合结构光子晶体薄膜的光学性能分析得出：经过八次ZnO微粒填充，SiO2-ZnO复合光子晶体薄膜的反射光谱峰值较SiO2光子晶体薄膜红移了140 nm；随着折射率的提高，SiO2-ZnS复合光子晶体薄膜的反射光谱峰值较SiO2光子晶体薄膜红移了85 nm。
　　（4）通过湿化学法制备了SiO2@ZnO核壳微球，采用有序自组装法制备了该核壳结构微球的蛋白石光子晶体薄膜。XRD分析表明包覆后的核壳微球中存在ZnO纳米微粒；SEM分析表明在包覆后的SiO2@ZnO核壳微球中，ZnO均匀的包裹到SiO2微球的周围，外壳厚度在10-20 nm之间；并分析了 SiO2@ZnO光子晶体薄膜的带隙性能和核壳微球的光催化降解性能。对核壳结构光子晶体薄膜的光子带隙分析可知，薄膜反射光谱的峰值较SiO2光子晶体薄膜红移了近110 nm；光催化结果表明SiO2@ZnO核壳微球对甲基橙和罗丹明B溶液都有很好的催化降解性能。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 光子晶体结构色薄膜的研究背景

1.3 蛋白石光子晶体结构色薄膜简介

1.4 本课题的来源、研究内容及意义

1.5 论文结构安排

2 SiO2蛋白石光子晶体结构色薄膜的研究

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

3 复合结构蛋白石光子晶体结构色薄膜的研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

4 SiO2@ZnO核壳结构光子晶体结构色薄膜的研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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