利用一步法快速制备高质量反蛋白石结构光子晶体的方法

摘要

利用一步法快速制备高质量反蛋白石结构光子晶体的方法，本发明涉及反蛋白石结构光子晶体的制备方法。本发明要解决现有反蛋白石结构光子晶体的制备方法或存在机械性能较差，难以实现大面积有序排列，或存在垂直沉积时间长，且垂直沉积自组装方法很难实现无裂纹大面积自组装的问题。方法：一、将Si(OC

说明书

技术领域

本发明涉及反蛋白石结构光子晶体的制备方法。

背景技术

胶体晶体是尺寸在100纳米到几个微米的无机或者有机的胶体微球在驱动力的作用 下发生自组装行为，从而形成二维或者三维的有序结构，这种有序排列的胶体微球结构通 常被称为胶体晶体、光子晶体或者合成蛋白石结构。胶体晶体由于其优良的光学性能成为 新一代光电器件的基础材料；还可以用作一些基本现象的理想模型体系，可以用于溶解过 程，相转变过程等热点问题的机理研究；此外，胶体晶体本身还可作为模板，和蒸镀、光 刻技术等进行完美的融合，用于制备图案化光子晶体。

正因为胶体晶体及其衍生物具有广阔的应用前景，才使得其在制备精确调控、化学改 性和新颖应用学科交叉中受到极大关注。反蛋白石结构光子晶体通常采用牺牲模板法制 备，如在玻璃基底、塑料基底等采用蒸发诱导自组装，垂直沉积自组装，喷涂、悬涂等方 式制备蛋白石光子晶体。然后再采用浸渍、涂布等方法填充二氧化硅等类的前驱体，之后 再采用煅烧、刻蚀等方法除去蛋白石胶体结构，得到反蛋白石结构胶体晶体。这些方法得 到的反蛋白石结构通常机械性能较差，且难以实现大面积有序排列。

例如，在专利文献[CN103352255A]中闫东伟等利用聚合物微球与溶胶前驱体混合， 之后通过垂直沉积在玻璃基底上生长数天后得到聚合物膜，最后通过煅烧除去聚合物微球 模板，得到反蛋白石光子晶体。不足之处在于此方法垂直沉积时间长，且垂直沉积自组装 方法很难实现无裂纹大面积自组装。

发明内容

本发明要解决现有反蛋白石结构光子晶体的制备方法或存在机械性能较差，难以实 现大面积有序排列，或存在垂直沉积时间长，且垂直沉积自组装方法很难实现无裂纹大面 积自组装的问题，而提供利用一步法快速制备高质量反蛋白石结构光子晶体的方法。

利用一步法快速制备高质量反蛋白石结构光子晶体的方法，具体是按照以下步骤进 行的：

一、将Si(OC₂H₅)₄、质量百分数为1％～50％的HCl和无水乙醇A混合后，在室温及 搅拌速度为100rpm～1000rpm下，搅拌1h～10h，得到二氧化硅前驱体，将聚合物微球加 入到二氧化硅前驱体中超声分散，得到质量百分数为1％～10％的聚合物微球乳液，向质量 百分数为1％～10％的聚合物微球乳液中滴加无水乙醇B，混合后超声，得到超声分散后的 胶体晶体混合溶液，在转速为1000r/min～10000r/min的条件下，将超声分散后的胶体晶体 混合溶液进行离心自组装，离心10min～100min，得到胶体晶体混合物，最后将胶体晶体 混合物在温度为50℃～100℃的条件下烘干，得到烘干后的胶体晶体混合物；

所述的Si(OC₂H₅)₄与质量百分数为1％～50％的HCl的体积比为1:(1～10)；所述的 Si(OC₂H₅)₄与无水乙醇A的体积比为1:(1～10)；所述的质量百分数为1％～10％的聚合物 微球乳液与无水乙醇B的体积比为1:(1～10)；

二、将烘干后的胶体晶体混合物浸渍于质量百分数为1％～50％的HF，浸渍 30min～300min，然后用去离子水冲洗，得到高质量反蛋白石结构光子晶体。

本发明的有益效果是：本发明采用乳液聚合的方法制备单分散性好的聚合物微球， 并在溶液中掺入适量的二氧化硅前驱体，采用离心自组装工艺，一步法制备反蛋白石结构 光子晶体。此方法工艺简单，因为在实验过程中各单体的量、乳液浓度、离心机的转速等 因素可以精确调控，实验重复性好，可以实现高质量反蛋白结构光子晶体的快速制备。这 一发明使光子晶体的质量得到大幅度提升，同时快速制备反蛋白石光子晶体拓宽了其应用 领域。

1整个工艺过程简单，无需特殊设备和工艺。

2所制得的反蛋白石因其在离心过程中组成光子晶体的微球多分散性PDI提高，可 得到高质量的光子晶体结构，且因为掺杂使其密度更高，机械强度更高，质量高。

3、制备出大面积的反蛋白石结构光子晶体，在标尺为3μm下仍能达到有序排列，无 裂纹。

本发明用于利用一步法快速制备高质量反蛋白石结构光子晶体的方法。

附图说明

图1为实施例一制备的高质量反蛋白石结构光子晶体的扫描电镜图；

图2为实施例二制备的高质量反蛋白石结构光子晶体的扫描电镜图；

图3为实施例三制备的高质量反蛋白石结构光子晶体的扫描电镜图；

图4为实施例四制备的高质量反蛋白石结构光子晶体的扫描电镜图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的 任意组合。

具体实施方式一：本实施方式所述的利用一步法快速制备高质量反蛋白石结构光子晶 体的方法，具体是按照以下步骤进行的：

一、将Si(OC₂H₅)₄、质量百分数为1％～50％的HCl和无水乙醇A混合后，在室温及 搅拌速度为100rpm～1000rpm下，搅拌1h～10h，得到二氧化硅前驱体，将聚合物微球加 入到二氧化硅前驱体中超声分散，得到质量百分数为1％～10％的聚合物微球乳液，向质量 百分数为1％～10％的聚合物微球乳液中滴加无水乙醇B，混合后超声，得到超声分散后的 胶体晶体混合溶液，在转速为1000r/min～10000r/min的条件下，将超声分散后的胶体晶体 混合溶液进行离心自组装，离心10min～100min，得到胶体晶体混合物，最后将胶体晶体 混合物在温度为50℃～100℃的条件下烘干，得到烘干后的胶体晶体混合物；

所述的Si(OC₂H₅)₄与质量百分数为1％～50％的HCl的体积比为1:(1～10)；所述的 Si(OC₂H₅)₄与无水乙醇A的体积比为1:(1～10)；所述的质量百分数为1％～10％的聚合物 微球乳液与无水乙醇B的体积比为1:(1～10)；

二、将烘干后的胶体晶体混合物浸渍于质量百分数为1％～50％的HF，浸渍 30min～300min，然后用去离子水冲洗，得到高质量反蛋白石结构光子晶体。

本实施方式的有益效果是：本实施方式采用乳液聚合的方法制备单分散性好的聚合 物微球，并在溶液中掺入适量的二氧化硅前驱体，采用离心自组装工艺，一步法制备反蛋 白石结构光子晶体。此方法工艺简单，因为在实验过程中各单体的量、乳液浓度、离心机 的转速等因素可以精确调控，实验重复性好，可以实现高质量反蛋白结构光子晶体的快速 制备。这一发明使光子晶体的质量得到大幅度提升，同时快速制备反蛋白石光子晶体拓宽 了其应用领域。

1整个工艺过程简单，无需特殊设备和工艺。

2所制得的反蛋白石因其在离心过程中组成光子晶体的微球多分散性PDI提高，可 得到高质量的光子晶体结构，且因为掺杂使其密度更高，机械强度更高，质量高。

3、制备出大面积的反蛋白石结构光子晶体，在标尺为3μm下仍能达到有序排列， 无裂纹。

在制备过程中将二氧化硅前驱体和聚合物微球相混合，因为聚合物微球为软壳， 而二氧化硅前驱体为小粒子，可以在离心自组装的过程中填满聚合物微球之间的缝 隙，提高的样品的机械强度。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的聚 合物微球为苯乙烯-丙烯酸微球。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤一中 所述的Si(OC₂H₅)₄与质量百分数为10％的HCl的体积比为1:1。其它与具体实施方式一或 二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中 所述的Si(OC₂H₅)₄与质量百分数为10％的HCl的体积比为1:2。其它与具体实施方式一至 三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中 所述的Si(OC₂H₅)₄与质量百分数为10％的HCl的体积比为1:3。其它与具体实施方式一至 四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一中 所述的Si(OC₂H₅)₄与无水乙醇A的体积比为1:2。其它与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤一中 所述的Si(OC₂H₅)₄与无水乙醇A的体积比为1:3。其它与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤一中 所述的质量百分数为1％的聚合物微球乳液与无水乙醇B的体积比为1:1。其它与具体实 施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤一中 所述的质量百分数为2％的聚合物微球乳液与无水乙醇B的体积比为1:2。其它与具体实 施方式一至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤一中 所述的质量百分数为3％的聚合物微球乳液与无水乙醇B的体积比为1:3。其它与具体实 施方式一至九相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：步骤一 中所述的质量百分数为5％的聚合物微球乳液与无水乙醇B的体积比为1:4。其它与具体 实施方式一至十相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例所述的利用一步法快速制备高质量反蛋白石结构光子晶体的方法，具体是 按照以下步骤进行的：

一、将Si(OC₂H₅)₄、质量百分数为10％的HCl和无水乙醇A混合后，在室温及搅拌 速度为300rpm下，搅拌1h，得到二氧化硅前驱体，将聚合物微球加入到二氧化硅前驱体 中超声分散，得到质量百分数为1％的聚合物微球乳液，向质量百分数为1％的聚合物微 球乳液中滴加无水乙醇B，混合后超声，得到超声分散后的胶体晶体混合溶液，在转速为 1000r/min的条件下，将超声分散后的胶体晶体混合溶液进行离心自组装，离心100min， 得到胶体晶体混合物，最后将胶体晶体混合物在温度为60℃的条件下烘干，得到烘干后 的胶体晶体混合物；

所述的Si(OC₂H₅)₄与质量百分数为10％的HCl的体积比为1:2；所述的Si(OC₂H₅)₄与无水乙醇A的体积比为1:3；所述的质量百分数为1％的聚合物微球乳液与无水乙醇B 的体积比为1:1；

二、将烘干后的胶体晶体混合物浸渍于质量百分数为5％的HF，浸渍30min，然后 用去离子水冲洗，得到高质量反蛋白石结构光子晶体；

步骤一中所述的聚合物微球为苯乙烯-丙烯酸微球。

实施例二：

本实施例所述的利用一步法快速制备高质量反蛋白石结构光子晶体的方法，具体是 按照以下步骤进行的：

一、将Si(OC₂H₅)₄、质量百分数为10％的HCl和无水乙醇A混合后，在室温及搅拌 速度为300rpm下，搅拌1h，得到二氧化硅前驱体，将聚合物微球加入到二氧化硅前驱体 中超声分散，得到质量百分数为2％的聚合物微球乳液，向质量百分数为2％的聚合物微 球乳液中滴加无水乙醇B，混合后超声，得到超声分散后的胶体晶体混合溶液，在转速为 3000r/min的条件下，将超声分散后的胶体晶体混合溶液进行离心自组装，离心30min， 得到胶体晶体混合物，最后将胶体晶体混合物在温度为50℃的条件下烘干，得到烘干后 的胶体晶体混合物；

所述的Si(OC₂H₅)₄与质量百分数为10％的HCl的体积比为1:1；所述的Si(OC₂H₅)₄与无水乙醇A的体积比为1:3；所述的质量百分数为2％的聚合物微球乳液与无水乙醇B 的体积比为1:2；

二、将烘干后的胶体晶体混合物浸渍于质量百分数为10％的HF，浸渍40min，然后 用去离子水冲洗，得到高质量反蛋白石结构光子晶体；

步骤一中所述的聚合物微球为苯乙烯-丙烯酸微球。

实施例三：

本实施例所述的利用一步法快速制备高质量反蛋白石结构光子晶体的方法，具体是 按照以下步骤进行的：

一、将Si(OC₂H₅)₄、质量百分数为10％的HCl和无水乙醇A混合后，在室温及搅拌 速度为300rpm下，搅拌1h，得到二氧化硅前驱体，将聚合物微球加入到二氧化硅前驱体 中超声分散，得到质量百分数为3％的聚合物微球乳液，向质量百分数为3％的聚合物微 球乳液中滴加无水乙醇B，混合后超声，得到超声分散后的胶体晶体混合溶液，在转速为 4000r/min的条件下，将超声分散后的胶体晶体混合溶液进行离心自组装，离心40min， 得到胶体晶体混合物，最后将胶体晶体混合物在温度为45℃的条件下烘干，得到烘干后 的胶体晶体混合物；

所述的Si(OC₂H₅)₄与质量百分数为10％的HCl的体积比为1:2；所述的Si(OC₂H₅)₄与无水乙醇A的体积比为1:2；所述的质量百分数为3％的聚合物微球乳液与无水乙醇B 的体积比为1:3；

二、将烘干后的胶体晶体混合物浸渍于质量百分数为15％的HF，浸渍30min，然后 用去离子水冲洗，得到高质量反蛋白石结构光子晶体；

步骤一中所述的聚合物微球为苯乙烯-丙烯酸微球。

实施例四：

本实施例所述的利用一步法快速制备高质量反蛋白石结构光子晶体的方法，具体是 按照以下步骤进行的：

一、将Si(OC₂H₅)₄、质量百分数为10％的HCl和无水乙醇A混合后，在室温及搅拌 速度为300rpm下，搅拌1h，得到二氧化硅前驱体，将聚合物微球加入到二氧化硅前驱体 中超声分散，得到质量百分数为5％的聚合物微球乳液，向质量百分数为5％的聚合物微 球乳液中滴加无水乙醇B，混合后超声，得到超声分散后的胶体晶体混合溶液，在转速为 5000r/min的条件下，将超声分散后的胶体晶体混合溶液进行离心自组装，离心30min， 得到胶体晶体混合物，最后将胶体晶体混合物在温度为40℃的条件下烘干，得到烘干后 的胶体晶体混合物；

所述的Si(OC₂H₅)₄与质量百分数为10％的HCl的体积比为1:3；所述的Si(OC₂H₅)₄与无水乙醇A的体积比为1:3；所述的质量百分数为5％的聚合物微球乳液与无水乙醇B 的体积比为1:4；

二、将烘干后的胶体晶体混合物浸渍于质量百分数为20％的HF，浸渍20min，然后 用去离子水冲洗，得到高质量反蛋白石结构光子晶体；

步骤一中所述的聚合物微球为苯乙烯-丙烯酸微球。

图1为实施例一制备的高质量反蛋白石结构光子晶体的扫描电镜图；图2为实施例二 制备的高质量反蛋白石结构光子晶体的扫描电镜图；图3为实施例三制备的高质量反蛋白 石结构光子晶体的扫描电镜图；图4为实施例四制备的高质量反蛋白石结构光子晶体的扫 描电镜图。由图可知，实施例一至四均可制备出大面积的反蛋白石结构光子晶体，在标尺 为3μm下仍能达到有序排列，无裂纹，因此，本发明制备的高质量反蛋白石结构光子晶 体机械强度更高，质量高。