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功能化光子晶体薄膜的制备及性能研究

【摘要】:光子晶体(PC)材料是一种由不同介电常数材料构成的具有周期性结构的材料,最主要的特征是具有光子禁带(PBG),当光子禁带的频率区域位于可见光区域时,能够衍射结构色。目前,具有光子晶体结构的材料已被广泛应用于功能材料之中。其中,光子晶体传感材料是科学家研究的主要方向,这是由于光子晶体能够衍射结构色,具有裸眼快速检测的优点。本文以聚乙烯醇(PVA)水凝胶作为基质,制备了二维(2D)和三维(3D)的PVA水凝胶基凝胶光子晶体膜,探讨了凝胶光子晶体膜的显色性能,并研究了其在传感检测领域的应用。对于二维光子晶体的研究,首先,通过无皂乳液聚合法制备了粒径均一的聚苯乙烯(PS)胶体微球,之后采用掩膜辅助光聚合的工艺,制备了一种具有隐形标记功能的2D凝胶光子晶体薄膜,实验结果发现:该2D凝胶光子晶体膜最初是透明的,浸润超纯水后可以观察到光子晶体膜显色后产生红色图案(632 nm)和绿色背景(540 nm)的高清对比。然后,选择粒径600 nm的PS微球,通过物理交联方法制备PVA水凝胶基2D光子晶体薄膜,之后利用4-硼苯甲醛(4-BBA)对PVA凝胶进行功能化改性。探讨了改性过程中交联时间对凝胶光子晶体膜的灵敏度的影响。根据凝胶光子晶体膜的性质,将其应用于人工泪液中葡萄糖浓度的响应实验。实验结果表明:改性后的4-BBA-PVA水凝胶光子晶体膜能够对葡萄糖具有较好选择性,在低浓度范围(0~0.6 mM)内,凝胶光子晶体膜的衍射波长与葡萄糖浓度具有线性相关性。对于三维光子晶体,我们通过无皂乳液聚合法制备了单分散性良好的聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)胶体微球,通过改变单体的用量制备不同粒径的纳米微球。采用物理固化的方式,以PVA为基质,制备出了具有高透明度的PVA基PC薄膜。通过改变PMMA胶体微球的粒径可以调控禁带区域以覆盖紫外区域。实验结果表明:PC-150薄膜具有78.89%的UV-365屏蔽性能和85%的高透明度。同时禁带范围位于可见光区域的PC膜在滤色材料领域有着广阔的应用前景。然后,我们利用冷冻-解冻法制备了具有自修复性能的水凝胶光子晶体,实验结果说明,控制冷冻时间12 h,解冻时间1 h,PVA水凝胶具有良好的自修复性能。进一步,我们采用马来酸酐对PVA进行功能化修饰,使其对Ni~(2+)有响应,测定了在不同pH条件下功能化凝胶PC膜对Ni~(2+)响应的反射光谱,实验结果表明,在pH=5条件下,凝胶PC膜对Ni~(2+)的响应最好,且随着Ni~(2+)浓度增大,衍射波长偏移量增大。

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