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《北京化工大学》 2015年
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可调带隙光子晶体/液晶光功能材料的制备及调控机理研究

邢慧慧  
【摘要】:光子晶体是一种可以控制和改变光线传播的光学材料,这类材料的研究和应用近年来受到人们的关注。其中,对外界刺激敏感的响应性光子晶体,因其在生物化学感应器、光子墨水和涂料以及彩色显示等领域的重要应用价值更为引人注目。液晶材料由于具有独特的光学性能以及外场敏感性,也是人们研究的热点。本文基于液晶材料对外界刺激响应性,制备了光子带隙可调控的液晶/光子晶体复合光功能材料,并且对调控机理进行了研究。主要内容包括:1.以一维胆甾相液晶光子晶体为主体,通过紫外光聚合诱导相分离的方法制备了光子带隙可调控的压力/电场响应性一维胆甾相液晶光子晶体/聚合物网络复合物薄膜,研究了聚合体系中光敏单体的浓度和有效官能度对复合物薄膜光学性能的影响,以及复合物薄膜的电光特性和压敏特性。研究结果表明,光敏单体浓度和官能度的提高会使复合物薄膜的反射率和对比度下降,分辨率提高;大于85kPa的压力作用在复合物薄膜上时,可以诱导其光子带隙出现;50Hz 20V的方波电场作用在复合物薄膜上时,则可以使其光子带隙消失。换言之,分别通过外加压力和电场,即可以实现对复合物薄膜光子带隙的可逆调控。2.采用无皂乳液聚合法和Stober法制备了单分散的苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸共聚物微球和二氧化硅微球,研究了乳化剂和氨水的添加量对两种微球粒径的影响,利用垂直沉积白组装法制备了三维聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)蛋白石光子晶体和二氧化硅蛋白石光子晶体。研究结果表明,乳化剂添加量的提高会使苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸共聚物微球粒径减小,氨水添加量的提高则会使二氧化硅的粒径增大;微球粒径的大小与蛋白石光子晶体的光子带隙的波长成正比,也就是说,通过增大微球的粒径,可以使光子带隙向长波段方向迁移,反之,则向段波段迁移。3.通过紫外光聚合法制备了三维二氧化硅蛋白石光子晶体/液晶弹性体复合物薄膜,研究了复合物薄膜的外观形状和光子带隙的热响应性能和响应机理。研究结果表明,升温过程中,复合物薄膜逐渐由平整变得弯曲,光子带隙发生蓝移,而降温过程中,复合物薄膜又会由弯曲恢复为平整,光子带隙恢复至初始位置。通过控制温度导致复合物薄膜外观形状的改变和光子带隙的迁移,主要是缘于温度对液晶基元的排列有序度的影响来实现,由于沿膜厚方向液晶基元排列有序度的差异,使其在受热过程中排列有序度产生不同程度的改变,从而引起复合物薄膜的弯曲形变和光子带隙迁移。4.以三维二氧化硅蛋白石光子晶体为模板,分别通过一步紫外光聚合法和两步紫外光聚合法制备了具有单结构色的三维液晶弹性体反蛋白石光子晶体和双结构色图案化的三维液晶弹性体反蛋白石光子晶体,并研究了温度改变对这两种反蛋白石光子晶体的光子带隙和结构色的可逆调控作用和机理。研究结果表明,在升温过程中,这两种液晶弹性体反蛋白石光子晶体的光子带隙均会发生50nm左右的红移,而降温过程中,其光子带隙均会恢复到初始波长;改变温度致使液晶弹性体反蛋白石光子晶体薄膜中液晶基元排列有序度发生改变,进而引起薄膜厚度方向上发生膨胀或者收缩形变,使{111}晶面间距增大(升温时)或者缩小(降温时),最终致使薄膜的光子带隙和结构色产生可逆的变化。
【学位授予单位】:北京化工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TB34

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