1、第 卷第期 年 月 A d v a n c e d T e x t i l e T e c h n o l o g yV o l ,N o N o v D O I: /j a t t 引 用 格 式 : 左 丽 娜 , 彭 瑜 , 郭 贺 虎 , 张 林 星 , 尹 菲 , 方 文 兵 , 胡 建 臣 , 张 克 勤 基 于 多 维 光 子 晶 体 及 非 晶 光 子 晶 体 的 结 构 色 构 筑 研 究 进 展 J 现 代纺 织 技 术 , , () : 基 于 多 维 光 子 晶 体 及 非 晶 光 子 晶 体的 结 构 色 构 筑 研 究 进 展左 丽 娜 , 彭瑜 , 郭 贺 虎 ,
2、 张 林 星 , 尹菲 , 方 文 兵 , 胡 建 臣 , 张 克 勤( 苏 州 大 学 纺 织 与 服 装 工 程 学 院 , 现 代 丝 绸 国 家 工 程 实 验 室 ( 苏 州 ) , 江 苏 苏 州 ) 摘要 : 自 然 界 中 的 颜 色 不 仅 仅 来 源 于 化 学 色 素 , 还 有 很 大 一 部 分 来 源 于 光 与 微 观 结 构 相 互 作 用 后 显 现的 结 构 色 . 光 子 晶 体 以 及 非 晶 光 子 晶 体 构 成 的 结 构 色 受 到 了 广 泛 的 关 注 . 光 子 晶 体 微 观 结 构 包 括 组 成 一 维光 子 晶 体 的 纳 米 薄
3、膜 , 组 成 二 维 光 子 晶 体 的 线 型 或 带 状 材 料 , 以 及 组 成 三 维 光 子 晶 体 和 非 晶 光 子 晶 体 的 纳 米微 球 等 . 不 同 于 传 统 的 化 学 色 素 , 结 构 色 由 于 颜 色 鲜 艳 不 褪 色 , 无 毒 无 污 染 等 优 点 而 备 受 关 注 . 本 文 主 要 以纳 米 薄 膜 组 成 的 一 维 光 子 晶 体 和 纳 米 微 球 组 成 的 三 维 光 子 晶 体 和 非 晶 光 子 晶 体 为 例 , 综 述 了 基 于 微 球 自 组装 以 及 连 续 薄 膜 包 覆 形 成 光 子 晶 体 及 非 晶 光 子
4、 晶 体 结 构 色 的 方 法 , 并 详 细 阐 述 不 同 光 子 晶 体 及 非 晶 光 子 晶体 产 生 结 构 色 的 原 理 和 各 种 方 法 中 常 用 的 材 料 , 不 同 方 法 的 适 用 范 围 , 优 缺 点 和 相 应 结 构 色 的 潜 在 应 用 .关 键 词 : 纳 米 微 球 ; 纳 米 薄 膜 ; 光 子 晶 体 ; 非 晶 光 子 晶 体 ; 结 构 色 ; 组 装中 图 分 类 号 :T B 文 献 标 志 码 :A 文 章 编 号 : X( ) 收 稿 日 期 : 网 络 出 版 日 期 : 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 青
5、 年 项 目 ( ) ; 国 家 自 然 科 学 基 金 面 上 项 目 ( ) ; 江 苏 省 高 等 学 校 自 然 科 学 研 究 重 大 项 目( K J A )作 者 简 介 : 左 丽 娜 ( ) , 女 , 湖 北 枝 江 人 , 硕 士 研 究 生 , 主 要 从 事 结 构 色 方 面 的 研 究 .通 信 作 者 : 胡 建 臣 ,E m a i l:h u j i a n c h e n s u d a e d u c nR e s e a r c h P r o g r e s s o f S t r u c t u r a l C o l o r C o n s t
6、r u c t i o n B a s e d o n M u l t i d i m e n s i o n a lP h o t o n i c C r y s t a l s a n d A m o r p h o u s P h o t o n i c C r y s t a l sZ U O L i n a,P E N G Y u,G U O H e h u,Z H A N G L i n x i n g,Y I N F e i,F A N G W e n b i n g,H U J i a n c h e n,Z H A N G K e q i n(C o l l e g e o
7、f T e x t i l e a n d C l o t h i n g E n g i n e e r i n g,N a t i o n a l E n g i n e e r i n g L a b o r a t o r y f o rM o d e r n S i l k,S o o c h o w U n i v e r s i t y,S u z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:T h e c o l o r s i n n a t u r e a r e u s u a l l y f r o m c h e m i c a l p i g
8、m e n t s,b u t a l o t o f c o l o r s o r i g i n a t e f r o ms t r u c t u r a l c o l o r s t h a t a p p e a r b y l i g h t i n t e r a c t i n g w i t h t h e m i c r o s t r u c t u r e R e s e a r c h e s s h o w t h a t t h es t r u c t u r a l c o l o r c o m p o s e d o f p h o t o n i
9、c c r y s t a l s a n d a m o r p h o u s p h o t o n i c c r y s t a l s h a s r e c e i v e de x t e n s i v e a t t e n t i o n P h o t o n i c c r y s t a l s m i c r o s t r u c t u r e s i n c l u d e n a n o f i l m s f o r m i n g D p h o t o n i cc r y s t a l s,n a n o w i r e s/n a n o b
10、e l t s a s s e m b l i n g D p h o t o n i c c r y s t a l s a n d m i c r o s p h e r e s f o r m i n g Dp h o t o n i c c r y s t a l s/a m o r p h o u s p h o t o n i c c r y s t a l D i f f e r e n t f r o m t r a d i t i o n a l c h e m i c a l p i g m e n t s,s t r u c t u r a l c o l o r s h
11、 a v e a t t r a c t e d a l o t o f a t t e n t i o n b e c a u s e o f t h e i r p r o p e r t i e s l i k e b r i g h t n e s s,n o nf a d e,n o n t o x i c,n o n p o l l u t i o n a n d o t h e r a d v a n t a g e s I n t h i s s t u d y,t h e m e t h o d s f o r p r o d u c t i o n o fs t r u c
12、 t u r a l c o l o r s o f p h o t o n i c c r y s t a l s a n d a m o r p h o u s p h o t o n i c c r y s t a l s b a s e d o n m i c r o s p h e r e s e l f a s s e m b l y a n d c o n t i n u o u s n a n o f i l m c o a t i n g w e r e r e v i e w e d o n v i a c a s e s t u d y o f D p h o t o n
13、 i c c r y s t a l s f o r m e d b y n a n o f i l m s a n d D p h o t o n i c c r y s t a l s/a m o r p h o u s p h o t o n i c c r y s t a l s f o r m e d b y m i c r o s p h e r e s,a n d t h e p r i n c i p l e s o f s t r u c t u r a l c o l o r f o r m a t i o n i n p h o t o n i c c r y s t a
14、 l s a n d a m o r p h o u s p h o t o n i c c r y s t a l s,t h e r a w m a t e r i a l s f o r d i f f e r e n t m e t h o d s,t h e r a n g e o f a p p l i c a t i o n,a d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e s o fd i f f e r e n t m e t h o d s,a n d p o t e n t i a l a p p l i c a t i o
15、 n s o f s t r u c t u r a l c o l o r s a r e p r e s e n t e d i n d e t a i l K e y w o r d s:m i c r o s p h e r e;n a n o f i l m;p h o t o n i c c r y s t a l s;a m o r p h o u s p h o t o n i c c r y s t a l s;s t r u c t u r a lc o l o r;a s s e m b l y 什 么 是 颜 色 ? 人 类 对 颜 色 的 认 识 和 应 用 拥 有
16、漫长 的 历 史 , 也 因 此 激 发 了 对 颜 色 本 质 的 探 究 . 年 , 著 名 物 理 学 家 牛 顿 发 现 太 阳 光 通 过 三 棱 镜 后 可显 示 出 红 橙 黄 绿 蓝 靛 紫 等 多 种 颜 色 , 首 次 建 立 了 颜色 与 光 的 联 系 , 之 后 关 于 颜 色 的 研 究 越 来 越 多 .本 质 上 讲 , 颜 色 是 人 眼 睛 对 光 的 一 种 心 理 响 应 . 年 牛 顿 指 出 , 光 可 能 是 单 一 或 者 混 合 频 率 的 电磁 波 . 因 此 , 颜 色 即 人 眼 睛 受 某 种 电 磁 波 的 刺 激 而产 生 的 心
17、理 响 应 . 产 生 颜 色 的 机 理 大 致 分 为种 :a) 电 子 的 振 动 和 简 单 激 发 ,b) 电 子 配 位 场 效 应 的 跃迁 ,c) 电 子 在 分 子 轨 道 间 的 跃 迁 ,d) 电 子 在 能 带 中 的跃 迁 ,e) 几 何 和 物 理 效 应 . 在 对 颜 色 本 质 的 认 知基 础 上 , 人 类 也 掌 握 了 颜 色 的 不 同 创 造 方 式 . 现 有的 生 色 技 术 主 要 是 化 学 生 色 , 即 染 料 色 素 染 色 , 显 示的 颜 色 主 要 来 源 于 电 子 在 分 子 轨 道 上 的 跃 迁 . 光 照射 在 色 素
18、 上 时 , 色 素 对 光 选 择 性 的 吸 收 、 反 射 和 透 射从 而 产 生 出 颜 色 . 但 是 色 素 不 能 长 时 间 的 保 持 颜色 , 经 过 一 段 时 间 后 色 素 中 产 生 颜 色 的 有 机 分 子 和离 子 会 和 环 境 中 的 成 分 发 生 作 用 , 从 而 产 生 褪 色 .而 且 化 学 染 色 过 程 通 常 会 带 来 严 重 的 环 境 污 染 .除 化 学 色 之 外 , 自 然 界 中 天 然 颜 色 也 存 在 其 他产 生 方 式 . 如 金 刚 鹦 鹉 羽 毛 的 红 色 和 黄 色 源 自 天然 的 色 素 , 但 大
19、闪 蝶 蝴 蝶 翅 膀 , 天 牛A n o p l o p h o r ag r a a f i翅 翘 , 巴 拿 马 的 龟 甲 虫C h a r i d o t e l l a e g r e g i a表 皮 上 的 颜 色 却 不 同 于 化 学 色 , 是 一 种 物 理 色 .这 种 物 理 色 源 于 光 在 物 体 表 面 微 观 结 构 处 发 生 干涉 、 折 射 、 衍 射 等 作 用 , 称 为 结 构 色 . 大 量 的 研 究 发现 结 构 色 可 以 来 源 于 光 子 晶 体 和 非 晶 光 子 晶 体 . 光子 晶 体 由 不 同 折 射 率 的 材 料 形
20、 成 周 期 性 排 列 构 成 ,不 同 材 料 能 带 与 能 带 之 间 存 在 带 隙 , 从 而 阻 止 处 于带 隙 内 的 光 子 进 入 晶 体 而 产 生 颜 色 . 光 子 晶 体 可 分为 一 维 , 二 维 以 及 三 维 光 子 晶 体 . 一 维 光 子 晶 体 的结 构 单 元 可 以 是 厚 度 仅 为 微 纳 米 尺 度 的 薄 膜 , 由 于其 对 光 的 干 涉 作 用 从 而 产 生 结 构 色 ; 三 维 光 子 晶 体的 结 构 单 元 可 以 是 微 观 纳 米 颗 粒 , 布 拉 格 散 射 导 致颜 色 随 着 观 察 角 度 的 变 化 而
21、变 化 , 即 具 有 虹 彩 效 应 .而 非 晶 光 子 晶 体 是 完 整 光 子 晶 体 的 缺 陷 态 结 构 , 微观 颗 粒 的 排 列 具 有 短 程 有 序 长 程 无 序 的 特 点 , 使 得晶 体 具 有 各 向 同 性 的 带 隙 , 因 此 颜 色 不 受 观 察 角 度的 影 响 , 即 具 有 非 虹 彩 效 应 . 除 此 之 外 , 二 维 光 子 晶体 的 结 构 单 元 可 以 是 平 行 排 列 的 微 观 条 状 材 料 , 在与 光 子 晶 体 有 关 的 结 构 色 领 域 的 研 究 中 , 大 部 分 都是 基 于 一 维 光 子 晶 体 和
22、 三 维 光 子 晶 体 的 研 究 . 二 维光 子 晶 体 中 多 通 过 孔 洞 排 列 形 成 长 程 有 序 短 程 无 序或 者 短 程 有 序 长 程 无 序 的 结 构 . 而 通 过 一 维 光 子 晶体 中 的 纳 米 薄 膜 和 三 维 光 子 晶 体 或 非 晶 光 子 晶 体 中的 微 观 颗 粒 来 构 筑 结 构 色 的 方 法 因 其 材 料 选 择 性大 , 实 现 方 法 多 样 化 而 更 受 关 注 .微 观 薄 膜 组 成 的 一 维 光 子 晶 体 形 成 的 结 构 色 广泛 存 在 于 自 然 界 中 . 如 图(a) 所 示 , 甲 虫H o
23、p l i ac o e r u l e a鞘 翅 上 的 微 小 鳞 片 的 颜 色 来 源 于 由 角 质 层 和空 气 层 组 成 的 多 层 膜 对 光 的 反 射 和 干 涉 . 图(c)所 示 的 成 年 圆 蟹 的 青 色 表 皮 也 是 由 多 层 膜 组 成 的 .图(b) 、 图(d) 所 示 金 色 甲 虫A n o p l o g n a t h u sp a r v u l u s和 绿 色 甲 虫C a l l o o d e s g r a y a n u s背 部 颜 色 都是 多 层 薄 膜 反 射 造 成 的 , 不 同 之 处 在 于C a l l o o
24、 d e sg r a y a n u s背 部 是 由 高 折 射 率 薄 膜 和 低 折 射 率 薄 膜 胶体 周 期 性 排 列 组 成 , 而A n o p l o g n a t h u s p a r v u l u s背 部由 具 有 不 同 厚 度 的 薄 膜 叠 加 而 成 , 如 图(e) 所 示 ,离 表 皮 层 越 远 的 位 置 , 薄 膜 的 厚 度 越 小 .由 微 观 纳 米 颗 粒 组 成 的 三 维 光 子 晶 体 形 成 的 结构 色 也 广 泛 存 在 于 自 然 界 中 . 如 图(a) 所 示 , 年 在 澳 大 利 亚 东 北 方 森 林 中 发
25、现 的 甲 虫P a c h y r h y n c h u s a r g u s的 金 属 色 来 源 于 其 内 部 n m微 球 组 成 的 密 排 六 方 结 构 (h c p) 形 成 的 三 维 光子 晶 体 , 这 也 是 第 一 次 在 动 物 体 内 发 现 蛋 白 石 结构 . 图(b) 所 示 蜻 蜓 的 胸 部 和 腹 部 无 虹 彩 效 应 的蓝 色 是 由 n m的 微 球 无 序 排 列 对 光 进 行相 干 散 射 产 生 的 . 同 样 , 图(c) 、(d) 分 别 是 蓝冠 娇 鹟 的 花 冠 和 长 角 天 牛P s e u d o m y a g r
26、 u sw a t e r h o u s e i的 角 质 层 , 它 们 都 具 有 纳 米 微 球 构成 的 三 维 结 构 , 不 同 尺 寸 的 微 球 构 成 的 宏 观 结 构 会显 示 不 同 的 颜 色 , 在 这 一 研 究 中 n m和 n m的 微 球 分 别 对 应 绿 色 和 蓝 色 . 材 料 工 程 第 卷图 自 然 界 中 基 于 纳 米 薄 膜 的 结 构 色图 自 然 界 中 基 于 纳 米 微 球 的 结 构 色 这 些 由 微 观 结 构 产 生 的 颜 色 鲜 艳 无 污 染 , 不 褪色 且 色 彩 饱 和 度 高 . 通 过 微 观 结 构 分
27、析 , 发 现 产 生结 构 色 的 微 观 粒 子 或 薄 膜 厚 度 尺 度 均 为 微 米 级 或 纳米 级 . 这 些 微 观 结 构 单 元 本 身 并 不 具 有 传 统 概 念 上的 颜 色 , 但 是 在 光 的 作 用 下 , 微 球 之 间 或 者 薄 膜 之 间发 生 相 干 散 射 ( 干 涉 、 折 射 、 衍 射 ) 从 而 导 致 人 肉 眼 观察 到 了 颜 色 . 这 些 是 大 自 然 馈 赠 给 人 类 的 礼 物 , 源 于自 然 界 的 灵 感 , 人 工 制 备 的 结 构 生 色 也 被 大 量 研 究 出 第期 左 丽 娜 等 : 基 于 多 维
28、 光 子 晶 体 及 非 晶 光 子 晶 体 的 结 构 色 构 筑 研 究 进 展 材 料 工 程来 . 本 文 从 阐 明 产 生 结 构 色 的 基 本 原 理 入 手 , 综述 了 以 微 观 颗 粒 和 纳 米 薄 膜 分 别 为 结 构 单 元 形 成 一维 和 三 维 光 子 晶 体 及 非 晶 光 子 晶 体 以 构 筑 结 构 色 的常 用 材 料 、 制 备 方 法 以 及 部 分 结 构 色 的 潜 在 应 用 . 产 生 结 构 色 的 光 学 原 理结 构 色 的 光 学 原 理 主 要 是 光 的 干 涉 、 折 射 、 衍射 , 通 过 光 与 一 定 尺 度 下
29、 微 观 结 构 的 相 互 作 用 产 生颜 色 , 可 以 通 过 分 析 微 观 结 构 阐 述 结 构 色 的 光学 原 理 . 基 于 薄 膜 干 涉 的 一 维 光 子 晶 体 形 成 结构 色 的 机 理 一 维 光 子 晶 体 产 生 结 构 色 的 原 理 是 基 于 多 层 薄膜 干 涉 . 入 射 光 在 薄 膜 上 下 表 面 会 分 别 对 光 进 行 反射 , 若 两 束 反 射 光 相 互 干 渉 则 叫 做 薄 膜 干 涉 . 薄 膜干 涉 分 为 单 层 薄 膜 干 涉 和 多 层 薄 膜 干 涉 . 薄 膜 干 涉的 条 件 是 光 程 差 为 波 长 的
30、整 数 倍 . 如 式 () :m n d c o s ()式 中 :m为 整 数 ;为 入 射 光 波 长 ;n指 薄 膜 材 料 的 折射 率 ;指 折 射 光 与 垂 直 于 薄 膜 方 向 的 法 线 的 夹 角 ;d为 薄 膜 的 厚 度 . 因 此 , 通 过 改 变 薄 膜 的 折 射 率 和 厚 度 以 及 入 射光 的 角 度 可 以 改 变 反 射 光 的 波 长 . 当 折 射 率 增 加 , 厚度 增 加 或 者 角 度 减 小 时 , 反 射 光 波 长 相 应 增 加 .但 干 涉 与 承 载 薄 膜 的 基 底 折 射 率 大 小 有 关 , 如图(a) 所 示
31、, 当 光 从 光 疏 介 质 进 入 光 密 介 质 时 , 会发 生 半 个 相 位 的 突 变 .n ,n,n 分 别 表 示 空 气 , 薄 膜和 基 底 的 折 射 率 , 当 基 底 折 射 率 高 , 即n n n 时 , 不 会 发 生 半 波 损 失 , 如 式 () ; 当 基 底 折 射 率 低 ,即 当n n,n n时 会 发 生 半 波 损 失 , 需 改 变 半 个波 长 的 相 位 , 这 时 由 薄 膜 表 面 反 射 出 来 的 光 线 会 产生 加 强 型 干 涉 , 从 而 使 反 射 率 有 最 大 值 . 随 着 薄 膜 厚度 的 增 加 , 反 射
32、光 波 长 也 会 增 加 . 如 式 () :m n d c o s ()当 薄 膜 是 由 两 种 不 同 折 射 率 的 薄 膜A和B周 期性 堆 叠 , 如 图(b) 所 示 , 产 生 增 强 型 干 涉 的 条 件 为式 () :m (n A d A c o s A n B d B c o s B) ()式 中 :n A和n B分 别 指 薄 膜A和B的 折 射 率 ,d A和d B分 别 指 薄 膜A和B的 厚 度 , 颜 色 随 观 察 角 度 的 改 变而 改 变 . 观 察 角 度 增 加 时 , 反 射 光 谱 向 着 短 波 长 方 向移 动 , 角 度 减 小 时 ,
33、 反 射 光 谱 向 着 长 波 长 方 向 移 动 .图 一 维 光 子 晶 体 ( 纳 米 薄 膜 ) 产 生 结 构 色 的 光 学 原 理 基 于 三 维 光 子 晶 体 的 结 构 色 形 成 机 理形 成 结 构 色 的 纳 米 微 球 堆 积 方 式 大 致 可 以 分 为两 种 , 一 种 是 短 程 有 序 长 程 也 有 序 排 列 而 成 的 的 三维 光 子 晶 体 , 一 种 是 短 程 有 序 长 程 无 序 排 列 成 的 非晶 光 子 晶 体 . 不 同 介 质 或 者 折 射 率 的 材 料 周 期性 的 排 列 产 生 某 一 频 率 范 围 的 光 子 带
34、 隙 , 通 过 调 控其 周 期 性 或 者 晶 格 尺 寸 阻 碍 特 定 波 长 的 可 见 光 传播 , 从 而 产 生 颜 色 , 这 类 材 料 叫 做 光 子 晶 体 . 光 子 晶体 与 光 的 相 互 作 用 关 系 可 表 示 为B r a g g公 式 () m d n s i n()式 中 :m为 整 数 ,d为 胶 体 晶 体 的 晶 格 常 数 ,n为 折 射率 ,为 入 射 光 与 晶 面 的 夹 角 . 对 于 光 子 晶 体 而 言 ,反 射 光 会 随 着 观 察 角 度 的 变 化 而 变 化 , 具 有 虹 彩 效应 . 而 非 晶 光 子 晶 体 是
35、特 殊 缺 陷 态 的 光 子 晶 体 , 短 程有 序 的 特 性 使 它 具 有 不 同 于 光 子 晶 体 的 特 殊 赝 带隙 , 无 特 定 取 向 , 因 此 , 光 会 沿 着 各 个 方 向 均 匀 散 射 ,反 射 光 颜 色 不 会 随 观 察 角 度 的 变 化 而 变 化 . 基 于 多 维 光 子 晶 体 的 结 构 色 构 筑 基 于 一 维 光 子 晶 体 的 结 构 色 构 筑基 于 一 维 光 子 晶 体 的 结 构 色 材 料 主 要 包 括 无 机材 料 ( 如T i O 类 的 金 属 氧 化 物 ) 、 有 机 材 料 ( 如 丝 素 材 料 工 程
36、第 卷蛋 白 ) 以 及 聚 合 物 等 , 构 筑 基 于 薄 膜 的 结 构 色 的 方 法有 : 原 子 层 沉 积 法 , 化 学 气 相 沉 积 法 , 旋 涂 法 等 .原 子 层 沉 积 (A L D) 法 , 指 将 几 种 参 与 反 应 的 前驱 体 蒸 汽 循 环 地 通 入 真 空 腔 体 中 , 使 其 与 基 底 的 表面 发 生 化 学 反 应 生 成 单 原 子 层 , 将 单 原 子 层 逐 层 镀在 基 底 表 面 的 方 法 . 如 图(a) 所 示 , 通 过A L D将 三 氧 化 二 铝 (A l O ) 薄 膜 和 氧 化 锌 薄 膜 (Z n O
37、) 各交 替 堆 叠层 得 到 一 维 光 子 晶 体 ( 命 名 为F e (n A lO n Z n O) , 其 中n指 的 是A L D沉 积 的 循 环 数 ) .折 射 率 为 的A l O 薄 膜 层 和 折 射 率 为 的Z n O薄 膜 层 之 间 的 差 异 使 得 颜 色 呈 现 出 了 高 饱 和度 和 高 亮 度 . 图(b) 显 示 了 颜 色 的 可 控 性 , 固 定A l O 的 循 环 数 不 变 , 调 整Z n O的 循 环 数 即 可以 使 颜 色 改 变 . 当Z n O的 循 环 数 分 别 、 、 、 以 及 时 , 颜 色 分 别 为 紫 、
38、绿 、 黄 、 橙 以 及橘 色 . 而 且 , 颜 色 会 随 着 观 察 角 的 的 变 化 发 生 相 应变 化 . 如 图, 采 用 多 种 测 试 耐 磨 性 的 方 法 检 验 颜色 的 耐 磨 性 , 光 学 图 片 与 反 射 光 谱 在 实 验 前 后 的 无变 化 都 证 明 颜 色 无 损 伤 , 表 明 该 一 维 光 子 晶 体 对 提高 结 构 色 强 度 具 有 一 定 的 意 义 .图 原 子 层 沉 积 法 制 备 钢 质 基 底 表 面 的 结 构 色图 原 子 层 沉 积 法 结 构 色 样 品 实 验 前 后 的 反 射 光 谱 与 光 学 图 片 化
39、学 气 相 沉 积 是 镀 膜 的 有 效 方 式 之 一 , 气 态 物质 在 沉 积 基 底 处 发 生 化 学 反 应 生 成 目 标 产 物 的 方法 . 可 以 利 用 化 学 气 相 沉 积 法 来 制 备 结 构 色 .如 图(a) 所 示 , 将 无 机 材 料T i O 与 有 机 材 料 聚 (羟 乙 基 甲 基 丙 烯 酸 酯 ) (p H E M A) 交 替 沉 积 在 基底 上 , 利 用 高 折 射 率 的T i O 层 与 低 折 射 率p H E M A层 之 间 的 折 射 率 的 差 异 以 及 周 期 性 结 构 得 到 鲜 艳 的结 构 色 . 同 时
40、 , 如 图(b) , 对 于层 混 合T i O p H E M A结 构 , 在 氮 气 中 的 水 蒸 气 分 别 为 、 以 及 m o l 时 ,p H E M A层 膨 胀 , 厚 度 增 加的 同 时 折 射 率 进 一 步 降 低 , 导 致 实 验 的 反 射 光 谱 ( 彩色 实 线 ) 红 移 , 理 论 曲 线 ( 黑 色 实 线 ) 与 其 保 持 一 致 .逐 渐 降 低 水 蒸 气 的 含 量 , 曲 线 ( 黑 色 虚 线 ) 又 快 速 回复 到 薄 膜 膨 胀 之 前 的 状 态 . 如 图(a c) , 为层混 合T i O p H E M A结 构 的
41、光 学 图 片 . 在 干 燥 的 时候 为 绿 色 , 但 氮 气 中 的 水 蒸 气 为 m o l 时 , 绿 色 转变 成 红 色 用 时 s. 驱 逐 氮 气 之 后 , 恢 复 到 绿 色 也只 需 s. 这 种 方 法 的 优 点 在 于 , 可 以 沉 积 在 各 种基 底 上 面 , 比 如 玻 璃 , 纸 等 .上 述 构 筑 一 维 光 子 晶 体 制 备 结 构 色 的 方 法 中 涉及 特 殊 的 设 备 , 而 在 常 用 的 方 法 中 , 旋 涂 法 是 构筑 基 于 一 维 光 子 晶 体 结 构 色 最 常 见 的 方 法 之 一 , 得到 的 一 维 光
42、子 晶 体 多 为 刺 激 响 应 型 光 子 晶 体 , 刺 激源 为 温 度 、 湿 度 、p H值 、 力 等 多 种 因 素 , 其 原 料 多 为 第期 左 丽 娜 等 : 基 于 多 维 光 子 晶 体 及 非 晶 光 子 晶 体 的 结 构 色 构 筑 研 究 进 展 材 料 工 程图 层T i O p H E M A结 构 化 学 气 相 沉 积 法 制 备 的 结 构 色 图 层T i O p H E M A结 构 化 学 气 相 沉 积 法 制 备 的 结 构 色 对 外 界 刺 激 有 所 响 应 的 有 机 材 料 , 例 如 , 对p H敏 感的 聚 苯 胺 , 对
43、温 度 敏 感 的 聚 (N 异 丙 基 丙 烯 酰 胺 ) 等 .如 图(a) 所 示 , 利 用 旋 涂 法 将 聚 ( 甲 基 丙 烯 酸 甲 酯甲基 丙 烯 酸 羟 乙 酯乙 二 醇 二 甲 基 丙 烯 酸 酯 )P(M M A A A E G D M A) 与 二 氧 化 钛 (T i O ) 交 替 旋 涂 在 硅 片 上形 成 一 维 光 子 晶 体 多 层 薄 膜 , 旋 涂 形 成 的 多 层 周期 性 薄 膜 由 于 薄 膜 干 涉 作 用 可 以 呈 现 不 同 的 结 构 色 ,通 过 控 制 旋 涂 速 度 可 以 控 制 薄 膜 的 厚 度 , 导 致 反 射 光谱
44、 红 移 或 蓝 移 . 如 图(b) 所 示 , 该 一 维 光 子 晶 体 可以 响 应 于 不 同 的 溶 剂 , 来 改 变 颜 色 . 比 如 , 四 氯 化 碳(C T C) 、 乙 醇 (E A) 、 乙 酸 乙 酯 (E A C) 、 二 氯 甲 烷(D C M) 、 氯 仿 (T C M) 等 均 可 以 得 到 较 好 的 效 果 . 如图(c) , 不 同 的 溶 剂 会 导 致 薄 膜 溶 胀 程 度 增 加 的 差异 , 使 得 反 射 光 谱 在 原 始 的 反 射 光 谱 的 基 础 上 红 移 .图 旋 涂 法 制 备 硅 片 表 面 的 结 构 色 材 料 工
45、 程 第 卷 除 上 述 方 法 外 , 利 用 一 维 光 子 晶 体 来 构 筑 结 构色 的 方 法 还 包 括 层 层 自 组 装 法 等 . 其 中 , 使 用 特 殊的 设 备 的 方 法 虽 然 是 常 见 的 制 备 均 一 性 薄 膜 的 方法 , 但 是 设 备 可 生 成 的 有 限 的 薄 膜 材 料 种 类 和 高 昂的 成 本 极 大 地 限 制 了 这 些 方 法 在 结 构 色 领 域 的 应用 . 层 层 组 装 法 是 指 将 基 底 浸 没 在 溶 液 中 在 带 相 反的 聚 电 解 质 溶 液 中 胶 体 沉 积 得 到 多 层 膜 , 该 方 法 操
46、作 简 单 , 可 以 产 生 大 面 积 , 均 一 性 较 好 的 涂 层 . 不 同薄 膜 结 构 色 制 备 方 法 对 比 见 表.表 不 同 薄 膜 沉 积 方 法 制 备 结 构 色 比 较沉 积 方 法 原 料 沉 积 速 率 沉 积 温 度 均 一 性 台 阶 覆 盖 参 考 文 献旋 涂 法T i O /S i O 有 机 物丝 素快 室 温 及 以 上 好 差 原 子 层 沉 积T i O /A l O /S i O /Z n O慢 室 温 及 以 上 很 好 很 好 层 层 自 组 装 法T i O /S i O 有 机 物慢 室 温 及 以 上 较 好 较 好 基 于
47、 三 维 光 子 晶 体 及 非 晶 光 子 晶 体 的结 构 色 构 筑 方 法 基 于 三 维 光 子 晶 体 制 备 结 构 色 的 纳 米 微 球 原 料中 无 机 物 主 要 包 括 二 氧 化 硅 (S i O ) , 金 属 化 合 物 二氧 化 钛 (T i O ) , 四 氧 化 三 铁 (F e O ) , 三 氧 化 二 铁(F e O ) 等 ; 有 机 材 料 包 括 聚 苯 乙 烯 (P S) , 聚 甲 基 丙烯 酸 甲 酯 (P M M A) , 聚 ( 苯 乙 烯甲 基 丙 烯 酸 甲 酯丙烯 酸 ) (P(S t M M A A A) ) 等 . 这 些 微
48、 球 组 装 形 成 的三 维 光 子 晶 体 可 以 被 分 为 面 心 立 方 (f c c) 结 构 , 体心 立 方 (b c c) 结 构 和 密 排 六 方 (h c p) 结 构 , 但 是 微 球在 自 组 装 的 过 程 中 为 了 达 到 最 小 的 自 由 能 , 绝 大 部分 形 成 面 心 立 方 结 构 (f c c) . 为 了 让 胶 体 粒 子具 有 更 紧 密 的 组 合 方 式 , 可 以 对 微 球 进 行 表 面 修 饰 ,包 括 引 入 官 能 团 和 制 备 核 壳 结 构 . 比 如 在 微 球表 面 包 覆 软 材 料 , 以 减 少 相 应
49、的 孔 隙 率 , 也 可 以 在 微球 表 面 引 入 丰 富 的 C O O H和 O H而 让 微 球 的表 面 具 有 亲 水 性 .W a n g等 通 过 乳 液 聚 合 法 制 备了 n m的 单 分 散P(S t M M A A A) 核 壳 结 构 微球 , 垂 直 沉 积 自 组 装 后 表 面 上 看 微 球 呈 六 边 形 排 列 ,但 从 截 面 看 微 球 呈 方 形 阵 列 , 分 别 对 应 面 心 立 方 结构 的 面 和 面 . 为 了 阻 止 一 些 微 球 在 空 气 中氧 化 , 可 以 在 微 球 表 面 包 覆 惰 性 层 , 比 如 在F e O
50、 微 球 表 面 包 覆 二 氧 化 硅 .微 球 自 组 装 产 生 结 构 色 的 方 法 多 种 多 样 , 原 理在 于 利 用 吸 引 力 和 排 斥 力 达 到 平 衡 使 小 球 自 组 装 成光 子 晶 体 或 非 晶 光 子 晶 体 . 排 斥 力 是 胶 体 粒 子 本 身的 排 斥 力 , 而 吸 引 力 可 以 是 重 力 、 离 心 力 、 毛 细 力 , 也可 以 是 外 加 的 电 场 力 、 磁 场 力 等 . 合 理 利 用 这 些 作用 力 , 发 展 出 了 微 球 自 组 装 的 不 同 方 法 , 如 重 力 沉 积组 装 法 , 垂 直 沉 积 法
