基于等离子体共振效应的银纳米粒子与液晶复合材料的研究

摘要

表面等离子体共振是金属自由电子与光波相互作用产生的特殊光学现象，随着纳米加工技术的进步，近几年来关于等离子体器件的研究备受人们的关注。基于等离子体共振效应产生的结构色和介质敏感性在高分辨显示、彩色滤光、非线性光学、生物传感器等领域有着重要的应用。其中，主动调控等离子体结构色和折射率敏感度是相关研究的重要分支。由于液晶材料具有外界刺激响应的特点，是主动调控表面等离子体的理想材料。本文将银纳米粒子与液晶材料相结合构建复合材料，并基于银纳米粒子的局域表面等离子体共振效应对复合材料的结构色和光学行为进行了动态调控和研究。主要内容包括:
　　1、以油胺和油酸作为配体层合成了银纳米粒子，并通过气液界面自组装的方法制备了紧密堆积的单层银纳米粒子阵列。研究了银纳米粒子阵列的吸收、反射光谱和结构色的角度依赖性。随后，我们对液晶弹性体的配比做了详细的研究，重点研究了交联剂HDDA和液晶单体A6OCB含量对液晶弹性体清亮点和形变量的影响，并最终确定了液晶弹性体的组成。最后研究了银纳米粒子阵列对液晶分子的取向作用，结果表明银纳米粒子阵列能诱导液晶分子形成垂直取向，如果与垂直和平面取向层相结合可以制备垂直和杂化取向复合材料。
　　2、采用光聚合的方法将银纳米粒子阵列与液晶弹性体复合，制备了垂直和杂化取向的银纳米粒子/液晶弹性体复合材料，研究了银纳米粒子在液晶弹性体中的分布状态，并通过温度控制实现了对复合材料反射光谱的动态调控。为研究调控机理，我们采用了基于时域有限差分法的有限元模拟软件COMSOL进行计算机模拟。模拟结果证实了反射光谱的变化是由液晶弹性体形变诱导银纳米粒子阵列局域表面等离子体共振变化引起的。最后，针对两种复合材料的特点，分别设计了“热伪装皮肤”和温敏可变色驱动开关的应用。
　　3、合成了六组非手性弯曲型和T型氢键组装体，研究了氢键组装体的形成、热稳定性、相态以及稳定蓝相的效果。研究发现氢键组装体的加入拓宽了蓝相的温度区间。为研究组装体稳定蓝相的机理，我们采用计算机分子模拟的方法计算了氢键组装体最低能量分子构型、弯曲角度、氢键结合能和表面电子分布情况。随后，我们又采用聚合物稳定蓝相的方法拓宽蓝相的温域，研究了氢键组装体、单官能团单体、双官能团单体含量对蓝相稳定的影响。发现蓝相聚合物网络具有“记忆效应”，能够保留蓝相特有的立方晶格结构，为银纳米粒子/蓝相聚合物复合材料中蓝相模板的制备提供了依据。
　　4、在蓝相聚合物模板内原位还原硝酸银制备了银纳米粒子/蓝相聚合物模板等离子体复合材料，并对复合材料的光学活性和介质敏感性进行了研究。复合材料的圆二色谱在银纳米粒子等离子体振动波长处有特征信号，并且对周围介质非常敏感。我们发现复合材料的手性驱动力来源于蓝相模板所记忆的蓝相周期立方结构。银纳米粒子负载在聚合物网络表面形成了金属-介电层界面，当银纳米粒子的LSPR被激发时，由于银纳米粒子宏观的手性组装，复合材料会在特征波长处产生圆二色谱信号。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 表面等离子体共振

1．2．1 表面等离子体共振基本概念

1．2．2 局域表面等离子体共振的研究和发展

1．3 液晶材料和液晶弹性体

1．3．1 液晶材料基本概念

1．3．2 液晶弹性体的研究进展

1．3．3 蓝相液晶和蓝相模板相关理论和研究

1．4 基于表面等离子体共振的金属纳米结构与液晶复合材料的研究

1．4．1 基于表面等离子体共振效应的金属与液晶复合材料光谱调控

1．4．2 基于表面等离子体共振效应的传感器研究

1．5 本论文研究内容及创新点

第二章 银纳米粒子阵列的LSPR效应和液晶弹性体的研究

2．1 引言

2．2 银纳米粒子阵列的研究

2．2．1 银纳米粒子阵列的制备

2．2．2 银纳米粒子阵列的形貌和LSPR光谱研究

2．3 液晶弹性体的研究

2．3．1 不同配比液晶前驱体的混配

2．3．2 不同配比液晶弹性体相态和形变量的研究

2．4 银纳米粒子阵列对液晶分子的取向研究

2．4．1 实验部分

2．4．2 结果与讨论

2．5 小结

第三章 基于等离子体共振效应银纳米粒子阵列／液晶弹性复合材料的光谱调控及研究

3．1 引言

3．2 银纳米粒子阵列／液晶弹性体复合材料的制备及表征

3．2．1 银纳米粒子阵列／液晶弹性体复合材料的制备

3．2．2 银纳米粒子阵列／液晶弹性体复合材料形貌和光谱的表征

3．3 银纳米粒子阵列／液晶弹性体复合材料LSPR光谱调控

3．4 银纳米粒子阵列／液晶弹性体复合材料LSRP光谱调控机理研究

3．4．1 银纳米粒子阵列／液晶弹性体复合材料光谱调控机理分析

3．4．2 银纳米粒子阵列／液晶弹性体复合材料光谱调控计算机模拟

3．5 银纳米粒子阵列／液晶弹性体复合材料应用研究

3．5．1 银纳米粒子阵列／液晶弹性体复合材料的曲率研究

3．5．2 银纳米粒子阵列／液晶弹性体复合材料的应用设计

3．6 小结

第四章 蓝相液晶及蓝相聚合物模板的研究

4．1 引言

4．2 弯曲型和T型氢键组装体的制备和表征

4．2．1 氢键组装体的制备

4．2．2 氢键组装体的表征

4．3 弯曲型和T型氢键组装体稳定蓝相研究

4．3．1 蓝相液晶的混配

4．3．2 氢键组装体稳定蓝相的效果

4．4 氢键组装体稳定蓝相机理研究

4．4．1 氢键组装体的计算机分子模拟

4．4．2 氢键组装体稳定蓝相机理

4．5 手性氢键组装体的制备与表征

4．5．1 手性氢键组装体的制备

4．5．2 手性氢键组装体的表征

4．6 各组分含量对稳定蓝相的影响

4．6．1 单官能团单体MF-LCM含量对稳定蓝相的影响

4．6．2 手性氢键组装体含量对稳定蓝相的影响

4．7 聚合物稳定蓝相及蓝相模板的研究

4．7．1 氢键组装体含量对聚合物蓝相的影响

4．7．2 双官能团单体C6M含量对聚合物蓝相及蓝相网络的影响

4．7．3 聚合物稳定蓝相及蓝相聚合物模板制备的机理

4．8 小结

第五章 银纳米粒子／蓝相聚合物模板等离子体光学活性复合材料的研究

5．1 引言

5．2 蓝相聚合物模板的制备和研究

5．2．1 蓝相聚合物模板的制备

5．2．2 蓝相聚合物模板的表征

5．3 银纳米粒子／蓝相模板等离子体复合材料光学活性的研究

5．3．1 银纳粒子／蓝相模板等离子体复合材料的光学活性

5．3．2 银纳粒子／蓝相模板等离子体复合材料的手性来源

5．4 银纳米粒子／蓝相模板等离子体复合材料的机理研究

5．4．1 银纳粒子在蓝相聚合物模板中的分布

5．4．2 银纳粒子／蓝相聚合物模版复合材料光学活性机理

5．5 小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介