基于纳米粒子的P(MMA-AA)/TiO2一维光子晶体结构色研究

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自然界中颜色由结构色和色素色构成,相比于色素色,结构色具有更高的色彩饱和度、更加靓丽的颜色以及永不退色等优点而受到学者的广泛研究,而结构色的主要来源是光子晶体。根据光子带隙在光子晶体中的分布不同可将其分为一维、二维和三维光子晶体。一维光子晶体具有制备方法简单、成本低且结构色靓丽等优点而得到广泛研究。而有机/无机一维光子晶体可具备有机物特殊的功能性以及介质间折射率差值大等优点,但存在有机物溶液在无机纳米粒子中的渗透及聚合物溶剂挥发导致的环境污染等问题。  本课题设计制备聚(甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)(P(MMA-AA))微乳液作为低折射率材料,水:乙醇=1:1(体积比)分散的TiO2溶胶作为高折射率材料,采用旋涂法组装了P(MMA-AA)/TiO2一维光子晶体。由于二者均为纳米粒子形貌,可避免有机物在无机物之间的渗透现象,从而制得层边界清晰、层厚度可控的一维光子晶体,且微乳液分散相为水,具有环境友好性。同时所制备的一维光子晶体具有良好的溶剂蒸气响应性。  首先,采用改进微乳液法制备了P(MMA-AA)微乳液,引入少量丙烯酸(AA)改善聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的亲水性,使其与 TiO2层具有良好的相容性。探讨了不同AA含量对微乳液聚合的影响。随着AA含量的增加,微乳液的平均粒径、PDI、热分解温度增大,而玻璃化温度略微降低。在MMA:AA=10:1(质量比)时达到最优制备条件,得到平均粒径37.3 nm,PDI为0.14,Zeta电位为33.1 mV的P(MMA-AA)微乳液。  其次,交替旋涂P(MMA-AA)微乳液与TiO2溶胶制备P(MMA-AA)/TiO2一维光子晶体,所制备的一维光子晶体具有明显的层夹层结构、层边界清晰且层的厚度可控,同时制备过程中避免了环境污染问题。探讨了布拉格堆叠数、光线入射角度、旋涂次数、溶胶浓度以及旋涂转速对光子晶体光学性质的影响。研究表明:随着布拉格堆叠数的增加,一维光子晶体的反射峰强度增强、峰宽度变窄;随着入射角度的增加,反射峰蓝移,颜色变化明显,表明一维光子晶体具有明显的角度依存性;随着二氧化钛的旋涂次数或者浓度的增加,即二氧化钛层的厚度增加,反射峰红移;随着旋涂转速的增大,即有机层与无机层的厚度降低,导致反射峰蓝移,与布拉格公式基本原理相一致,由此可控制高低折射率介质层的厚度制备具有不同结构色的一维光子晶体。  再次,P(MMA-AA)/TiO2一维光子晶体具有很好的溶剂蒸气响应性以及重复性。将其暴露于饱和丙酮、氯仿、乙醇和乙酸乙酯的蒸气中5s即可观察到明显的颜色变化,从蒸气中取出后1 s即可恢复原来颜色。在10个循环中样品依旧能够保持良好的重复性。
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