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摘 要

光子晶体因其具有独特的长程有序结构而成为近年来材料学、化学化工等领域的热点研究课题。本文采用接近沸腾条件下的乳液聚合方法制备出单分散聚苯乙烯(PS)微球，并通过接枝聚合对PS微球进行表面修饰。以表面修饰后的PS胶体微球作为构筑单元，通过垂直沉积自组装技术制备出PS胶体光子晶体。将PS 胶体光子晶体作为模板，以硅溶胶作为前驱体，成功制备出具有反蛋白石结构的二氧化硅光子晶体。在此过程中，考察了引发剂浓度、单体浓度等因素对PS微球粒径的影响，并借助反射光谱研究了反蛋白石光子晶体在不同溶剂中的反射波长。结果表明，乳液聚合制备的PS微球粒径容易调控且具有良好的单分散性，模板方法制备的反蛋白石光子晶体在不同溶剂中具有明显的反射波长变化，有望应用于化学检测与化学传感等领域。

关键词：乳液聚合 反蛋白石 光子晶体 化学传感

Fabrication and application of large-area ordered mesoporous inverse opal photonic crystal

Abstract

Photonic crystals have received great attention in the field of material science and chemistry, owing to their long-range ordered structure. In this thesis, mono-dispersed polystyrene (PS) microspheres were fabricated quickly via an emulsion polymerization method with temperature close to the boiling point of water. PS microspheres surface was then modified by using a graft polymerization method. PCs were successfully fabricated by vertical deposition assembly of surface modified PS microspheres. Subsequently, inverse opal SiO₂ PCs were obtained successfully by silicon sol as precursor infiltrated into PS photonic crystals. Additionally, the particle size was related to the dose of indicatives and monomer. The optical properties of the as-obtained SiO₂ inverse opal PCs in different solvents were investigated by UV reflectance spectroscopy. The results show the emulsion polymerization method can prepare mono-dispersed microspheres with target particle size easily. The inverse opal PCs show reflectance wavelength shift in various solvents, which is expected to be applied in the field of chemical sensor.

Key words: emulsion polymerization; inverse opal; photonic crystals; chemical sensor

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1光子晶体 1

1.1.1光子晶体简述 1

1.1.2光子晶体的特性 1

1.2光子晶体的制备方法 2

1.2.1物理法 3

1.2.2化学法 4

1.3光子晶体的应用 9

1.3.1光子晶体光波导 9

1.3.2光子晶体共振滤波器 9

1.3.3单模发光二极管 10

1.3.4高发射小型微波天线 10

1.3.5光子晶体的其他应用 10

1.4本文的研究内容 10

第二章 单分散聚苯乙烯微粒的制备 11

2.1乳液聚合原理 11

2.1.1乳液聚合机理概述 11

2.1.2聚合过程 11

2.2实验部分 13

2.2.1实验原料、仪器与实验装置 13

2.2.2单分散胶体粒子的合成 14

2.2.3胶体粒子的表面修饰 14

2.3结果与讨论 14

2.3.1聚合反应时间对PS粒径的影响 14

2.3.2单体浓度对PS粒径的影响 15

2.3.3引发剂浓度对PS粒径的影响 16

2.3.4丙烯酸改性的PS微粒的表征 17

第三章 反蛋白石光子晶体的构筑及应用 18

3.1实验原料与设备 18

3.2实验过程 18

3.2.1垂直沉积法自组装制备胶体光子晶体 18

3.2.2模板法制备反蛋白石SiO₂光子晶体 19

3.3结果与讨论 19

3.3.1不同粒径PS组装的光子晶体薄膜 19

3.3.2反蛋白石光子晶体薄膜的结构与光学特性 21

3.3.3反蛋白光子晶体薄膜对溶剂的响应 23

第四章 结论 25

参考文献 26

致谢 29

1. 绪论

1.1光子晶体

1.1.1光子晶体简述

1987年E.Yablonovitch^[1]和S.John^[2]各自独立提出光子晶体(Photonic Crystal)的概念，此后光子晶体便成为物理学、化学以及材料学的热点研究方向。光子晶体(又称光子带隙材料)，通常由两种或是两种以上具有不同介电常数的材料组成。构成光子晶体的材料在空间上周期性排列，形成了一种高度有序的空间结构，并赋予光子晶体中介电常数(或折射率)的周期性变化。通过对光子晶体结构和性质的深入研究，人们发现光子晶体的许多性质与半导体有着相似之处。因此，类比于半导体材料对于电子传导的控制及其在通信、计算机技术等高新科技领域的应用^[3-4]，光子晶体有望实现对光子传导的控制从而应用于光通信、光子计算机等领域。

根据空间结构以及光子带隙两方面的不同对光子晶体进行分类，将其分为一维、二维以及三维光子晶体。介电常数沿着空间的一个方向呈现周期性变化的材料，即一维光子晶体。一维光子晶体通常由具有不同介电常数的两种材料在空间的一个方向上层层叠加制备得到。同理，二维与三维光子晶体分别是指介电常数在空间的两个或三个方向上作周期性变化的材料。随着光子晶体材料的介电常数的周期变化从一维到三维，光子禁带逐渐从不完全禁带转变为完全光子禁带。

图1-1 一维、二维及三维光子晶体结构示意图

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