专利摘要

本发明属于光子晶体制备技术领域，涉及一种具有曲面结构的胶体光子晶体及其制备方法。本发明利用热压印复形的技术，在热塑性聚合物表面构筑平行的半圆形凹槽阵列，得到图案化凹槽模板；在图案化凹槽模板上采用垂直沉积法生长胶体光子晶体薄膜，从而得到本发明的具有曲面结构(特别是表面具有半圆形凹槽曲面结构)的胶体光子晶体。本发明所提供的方法简单易行，可大面积制备，普适性好。

权利要求

1.一种制备具有曲面结构的胶体光子晶体的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)制备图案化凹槽模板：利用金属线缠绕的金属板作为压印用母模板，使用热塑性聚合物进行压印、复形得到图案化凹槽模板；

2)制备具有曲面结构的胶体光子晶体：利用步骤1)的图案化凹槽模板作为基底，在所述基底上生长光子晶体，得到具有曲面结构的胶体光子晶体。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述的金属线为铜线或者不锈钢线；所述的金属线的横截面为圆形或者椭圆形；

优选地，步骤1)中所述的金属板可以为铝合金板、不锈钢板或者铜板；

优选地，步骤1)中所述的热塑性聚合物可以为聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚氨酯或者聚烯烃(如聚乙烯、聚丙烯或其共聚物)等。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤1)中的压印为热压印；

优选地，步骤1)中所述的凹槽模板的凹槽形貌可以通过金属线调整；

例如，选择不同直径的圆金属线，所述直径例如可以介于100-500μm之间。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤1)具体包括以下步骤：

1a)制备压印用母模板：将不同直径的圆金属线紧密缠绕金属板，制备所述压印用母模板；

1b)制备图案化凹槽模板：将热塑性聚合物板水平放置在热台上，然后把步骤1a)制备的压印用母模板压在热塑性聚合物板上；打开热台，加热到所述热塑性聚合物的玻璃化转变温度(即热变形温度)之上，待热塑性聚合物软化后，再施加压力把压印用母模板压入热塑性聚合物板中，冷却至室温后脱模，得到图案化凹槽模板。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1a)中的圆金属线的直径例如为100μm、150μm、200μm、300μm、400μm或500μm；

优选地，步骤1a)中，所述金属板例如为不锈钢板、铝合金板、铜板等；

优选地，步骤1a)中，所述金属板进行边缘打磨和表面抛光处理；

优选地，步骤1a)中，还包括将得到的压印用母模板进行清洗和疏水化处理的步骤；具体地，使用乙醇进行表面清洗后，再使用氟硅烷(例如，全氟辛基三氯硅烷)在减压条件下进行化学气相沉积处理。

6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：以图案化凹槽模板为基底，沉积单分散的胶体颗粒从而在所述基底上生长光子晶体，得到具有曲面结构的胶体光子晶体。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤2)具体为：将步骤1)中得到的图案化凹槽模板插入到含有单分散的胶体颗粒的分散液中，在恒定温度下自然蒸发，待分散液中的溶剂蒸干后，即在所述图案化凹槽模板上沉积了一层具有曲面结构的胶体光子晶体薄膜。

优选地，图案化凹槽模板以凹槽轴向垂直于容器的形式插入到所述分散液中。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述的单分散的胶体颗粒的材质没有特别限定，现有的可以形成单分散的胶体颗粒的材料均可，例如可以为无机材料(如二氧化硅等)或者为聚合物材料(如聚苯乙烯等)；

优选地，所述分散液中所用溶剂为乙醇、甲醇、水或者乙二醇中的一种或几种的混合液；

还优选地，所述单分散的胶体颗粒可以是利用 方法制备的单分散的SiO₂微球或可以是利用微乳液聚合法制备的单分散的聚苯乙烯(PS)微球。

9.由权利要求1-8任一项所述方法制备得到的胶体光子晶体，其特征在于，所述胶体光子晶体具有曲面结构。

优选地，所述胶体光子晶体具有半圆形凹槽曲面结构和高度有序的阵列结构。

10.权利要求9所述的胶体光子晶体的用途，其特征在于，所述胶体光子晶体具有回复反射和双反射峰的特性，可以用于显示器、回复反射器或其他利用所述特性的光学器件等。

说明书

技术领域

本发明属于光子晶体领域，具体涉及一种制备具有曲面结构的胶体光子晶体的方法。

背景技术

光子晶体是由介电常数不同的两种或者多种材料周期性地排列而形成的一种在特定方向上具有光子带隙的复合材料。这种周期性的结构能够选择性的反射特定波长的光，使得它在光学器件、传感器、防伪、激光乃至通讯领域具有广泛的应用前景。而胶体光子晶体是其中被研究最为广泛的，因为胶体光子晶体的原料-单分散的胶体颗粒制备简单、成本低、可大量制备；再加上胶体颗粒组装方式的多样化，使得胶体光子晶体成为近些年的研究热点。传统方法制备的胶体光子晶体多为平面结构，因此光学性质相对单一；为此，研究者提出了许多制备曲面光子晶体的方法。专利公开号为CN101392407(名称为《一种圆柱空心型的大孔有序的胶体晶体的制备方法》)的专利，在空心细玻璃管内壁生长了圆柱空心型胶体光子晶体，由于生长胶体光子晶体的过程需要使用电场、且受到空心细玻璃管尺寸的限制，该方法难以大量制备。专利公开号为CN101942700(名称为《基于光纤的圆柱环状胶体晶体的制备方法及其晶体》)的专利，在圆柱形的光纤表面利用垂直沉积的方法生长了一种圆环状的胶体光子晶体，但该方法需要对所用的光纤进行腐蚀粗化，生长过程需要控温控压。由于所用模板和生长条件的限制，也难以大面积的制备。公开号为CN104193906A(名称为《一种光子晶体微球、其制备方法及应用》)的专利，利用微流体技术制备了光子晶体微球，包括聚苯乙烯-聚(N-异丙基丙烯酰胺)共聚物纳米粒子组成的内核和疏水性光引发聚合树脂组成的外壳。但是该方法所用的微流体技术对工艺条件要求苛刻，不具有普适性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于图案化凹槽模板制备具有曲面结构的胶体光子晶体的方法，此方法操作简单，效率高，成本低，并且可以批量化制备具有曲面结构的胶体光子晶体。所述图案化凹槽模板是利用压印(特别是热压印)技术制备的，生产工艺简单，所用原料相对便宜，压印后得到的凹槽的尺寸、形状等都能够保持非常好的均一性，而且该方法可以批量化制备。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种制备具有曲面结构的胶体光子晶体的方法，所述方法包括以下步骤：

1)制备图案化凹槽模板：利用金属线缠绕的金属板作为压印用母模板，使用热塑性聚合物进行压印、复形得到图案化凹槽模板；

2)制备具有曲面结构的胶体光子晶体：利用步骤1)的图案化凹槽模板作为基底，在所述基底上生长光子晶体，得到具有曲面结构的胶体光子晶体。

其中，步骤1)中所述的金属线可以为铜线或者不锈钢线。

其中，步骤1)中所述的金属线的横截面可以为圆形或者椭圆形。

其中，步骤1)中所述的金属板可以为铝合金板、不锈钢板或者铜板。

其中，步骤1)中所述的热塑性聚合物可以为聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚氨酯或者聚烯烃(如聚乙烯、聚丙烯或其共聚物)等。

其中，步骤1)中的压印为热压印。

其中，步骤1)中所述的凹槽模板的凹槽形貌可以通过金属线调整。例如，选择不同直径的圆金属线，所述直径例如可以介于100-500μm之间。

根据本发明，步骤1)具体包括以下步骤：

1a)制备压印用母模板：将不同直径的圆金属线紧密缠绕金属板，制备所述压印用母模板；

1b)制备图案化凹槽模板：将热塑性聚合物板水平放置在热台上，然后把步骤1a)制备的压印用母模板压在热塑性聚合物板上；打开热台，加热到所述热塑性聚合物的玻璃化转变温度(即热变形温度)之上，待热塑性聚合物软化后，再施加压力把压印用母模板压入热塑性聚合物板中，冷却至室温后脱模，得到图案化凹槽模板。

其中，步骤1a)中的圆金属线的直径例如为100μm、150μm、200μm、300μm、400μm或500μm。

其中，步骤1a)中，所述金属板例如为不锈钢板、铝合金板、铜板等。

其中，步骤1a)中，所述金属板进行边缘打磨和表面抛光处理，这样是为了实现金属线紧密排列。

其中，步骤1a)中，还包括将得到的压印用母模板进行清洗和疏水化处理的步骤；具体地，使用乙醇进行表面清洗后，再使用氟硅烷(例如，全氟辛基三氯硅烷)在减压条件下进行化学气相沉积处理。这样处理的目的在于避免压印和脱模过程中发生粘连。

根据本发明，所述步骤2)具体包括：以图案化凹槽模板为基底，沉积单分散的胶体颗粒从而在所述基底上生长光子晶体，得到具有曲面结构的胶体光子晶体。

其中，步骤2)具体为：将步骤1)中得到的图案化凹槽模板插入到含有单分散的胶体颗粒的分散液中，在恒定温度下自然蒸发，待分散液中的溶剂蒸干后，即在所述图案化凹槽模板上沉积了一层具有曲面结构的胶体光子晶体薄膜。

其中，图案化凹槽模板以凹槽轴向垂直于容器的形式插入到所述分散液中。因而，步骤2)的方法也称为垂直沉积法。

其中，所述的单分散的胶体颗粒的材质没有特别限定，现有的可以形成单分散的胶体颗粒的材料均可，例如可以为无机材料(如二氧化硅等)或者为聚合物材料(如聚苯乙烯等)。

其中，所述分散液中所用溶剂为乙醇、甲醇、水或者乙二醇中的一种或几种的混合液。

其中，所述单分散的胶体颗粒可以是利用 方法制备的单分散的SiO₂微球或可以是利用微乳液聚合法制备的单分散的聚苯乙烯(PS)微球。

其中，所述 方法可以参考下述文献中公开的方法：J.Colloid.InterfaceSci.1968,26,62；所述微乳液聚合法可以参考下述文献中公开的方法：ColloidPolym.Sci.1979,257,61；上述文献本文全文引入作为参考。

本发明还提供由上述方法制备得到的胶体光子晶体，所述胶体光子晶体具有曲面结构。

其中，所述胶体光子晶体具有半圆形凹槽曲面结构和高度有序的阵列结构。

本发明还提供一种上述的胶体光子晶体的用途，由于所述胶体光子晶体具有回复反射和双反射峰的特性，可以用于显示器、回复反射器或其他利用所述特性的光学器件等。

本发明具有以下有益效果：

本发明所提供的制备方法操作简单易行，可低成本、大面积地制备具有曲面结构的胶体光子晶体。本方法适用于目前制备光子晶体所常用的SiO₂和聚合物材料，制备出的曲面光子晶体厚度和取向均一。本方法所用的图案化凹槽模板，因为凹槽的存在而具有超强的毛细力，可以迅速的将胶体颗粒分散液从模板的底部传输到模板的顶部，分散液中的胶体颗粒基本不发生沉降，因此，凹槽模板可以用同样体积的胶体颗粒分散液组装更多的胶体光子晶体，而且组装同样面积的光子晶体所用的时间也大大缩短，对于胶体颗粒的利用率大大提高。得到的曲面光子晶体具有回复反射和双反射峰的特性，在显示器，回复反射器，以及新型的光学器件等方面具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为实施例1制备图案化的凹槽模板的示意图。

图2为实施例1制备的样品1^#的不同放大倍率下的扫描电子显微镜照片：(a)为放大100倍，(b)为放大10000倍。

图3为实施例2制备的样品2^#的反射光谱(a)和放大5000倍的扫描电子显微镜照片(b)。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，应理解，在阅读了本发明所记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所限定的范围。

实施例1

1)使用直径为300μm的圆铜线缠绕铝合金板制备压印用母模板，然后进行乙醇清洗和疏水化处理。其中，优选地，所述铝合金板在缠绕圆铜线之前先进行边缘打磨和表面抛光处理。其中，优选地，所述疏水化处理是使用全氟辛基三氯硅烷在减压条件下进行化学气相沉积处理。

2)将厚度为2mm的聚苯乙烯板(以下简称PS板)水平放置在热台上，然后把步骤1)中的母模板压在PS板上。打开热台，加热到170℃，待PS板软化后，再施加20N的压力把母模板压入PS板中，冷却至室温后脱模，最终得到表面具有半圆形凹槽阵列的模板。然后可以切割成任意尺寸，即得到图案化凹槽模板，备用。具体流程如图1所示。

3)将步骤2)中图案化凹槽模板垂直插入到单分散的SiO₂胶体颗粒(240nm)的乙醇分散液(0.01v％)中，在35℃下烘干后，在所述图案化凹槽模板表面形成具有曲面结构的SiO₂胶体光子晶体。

所得具有曲面结构的SiO₂胶体光子晶体(编号1^#)的扫描电子显微镜照片示于图2中，其中，a为放大100倍，b为放大10000倍。由图可见，采用本发明的制备方法得到的SiO₂胶体光子晶体具有半圆形弯曲表面和高度有序的阵列结构。

实施例2

1)使用直径为300μm的圆铜线缠绕铝合金板制备压印用母模板，然后进行乙醇清洗和疏水化处理。其中，优选地，所述铝合金板在缠绕圆铜线之前先进行边缘打磨和表面抛光处理。其中，优选地，所述疏水化处理是使用全氟辛基三氯硅烷在减压条件下进行化学气相沉积处理。

2)将厚度为2mm的PS板水平放置在热台上，然后把步骤1)中的母模板压在PS板上。打开热台，加热到170℃，待PS板软化后，再施加20N的压力把母模板压入PS板中，冷却至室温后脱模，最终得到表面具有半圆形凹槽阵列的模板。然后可以切割成任意尺寸，即得到图案化凹槽模板，备用。

3)将步骤2)中图案化凹槽模板垂直插入到单分散的SiO₂胶体颗粒(260nm)的乙醇分散液(0.01v％)中，在35℃下烘干后，在所述图案化凹槽模板表面形成具有曲面结构的SiO₂胶体光子晶体。

所得具有曲面结构的SiO₂胶体光子晶体(编号2^#)的光学照片以及反射光谱示于图3中，其中，a为反射光谱，b为放大5000倍的扫描电镜照片。由图可见，采用本发明的制备方法得到的SiO₂胶体光子晶体具有半圆形弯曲表面和高度有序的阵列结构，同时还具有较强的反射峰。

实施例3

1)使用直径为300μm的圆铜线缠绕铝合金板制备压印用母模板，然后进行乙醇清洗和疏水化处理。其中，优选地，所述铝合金板在缠绕圆铜线之前先进行边缘打磨和表面抛光处理。其中，优选地，所述疏水化处理是使用全氟辛基三氯硅烷在减压条件下进行化学气相沉积处理。

2)将厚度为2mm的聚碳酸酯板(以下简称PC板)水平放置在热台上，然后把步骤1)中的母模板压在PC板上。打开热台，加热到200℃，待PC板软化后，再施加20N的压力把母模板压入PC板中，冷却至室温后脱模，最终得到表面具有半圆形凹槽阵列的模板。然后可以切割成任意尺寸，即得到图案化凹槽模板，备用。

3)将步骤2)中图案化凹槽模板垂直插入到单分散的PS胶体颗粒(180nm)的水分散液(0.01v％)中，在65℃下烘干后，在所述图案化凹槽模板表面形成具有曲面结构的PS胶体光子晶体。

从所述具有曲面结构的PS胶体光子晶体的扫描电子显微镜照片以及发射光谱可见，采用本发明的制备方法得到的PS胶体光子晶体具有半圆形弯曲表面、高度有序的阵列结构和较强的反射峰。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

一种具有曲面结构的胶体光子晶体及其制备方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。