噴墨打印的光子晶體圖案及其光子晶體圖案的應用的制作方法
【專利摘要】本發明涉及噴墨打印高質量的光子晶體圖案及其光子晶體圖案的應用。本發明的噴墨打印的高質量的光子晶體圖案是利用噴墨打印設備，將含有相同粒徑的單分散膠體微球的乳液，或者將兩種或多種含有不同粒徑的單分散膠體微球的乳液噴射到低粘附的固體基材的表面并干燥，在低粘附的固體基材的表面得到高質量的光子晶體圖案。所述光子晶體圖案是由蛋白石結構的光子晶體構成的圖案。本發明制備光子晶體圖案的方法簡單、制備成本低廉、適合大規模制備高質量光子晶體圖案。所制備的高質量的光子晶體圖案的光子帶隙在紫外光、可見光或紅外光區域。所述的光子晶體圖案在分光計、光子晶體濾波片、反射光片及可調光子晶體激光器，顯示器件等領域具有重要應用。
【專利說明】噴墨打印的光子晶體圖茱及其光子晶體圖茱的應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及噴墨打印聞質量的光子晶體圖案，特別涉及利用低粘附的基材由噴墨打印技術而制備的高質量的光子晶體圖案，以及所制備的高質量的圖案化的光子晶體的在高性能顯示等領域中的應用。
【背景技術】
[0002]光子晶體因其特殊的光調控性能在高質量光學器件、化學傳感、高效催化、無標記檢測等方面具有潛在應用。光子晶體的圖案化的制備是實現其器件化應用的關鍵。目前光子晶體的圖案化的制備主要包括光刻和模板組裝兩種方法，但光刻方法費時且成本高，模板組裝法所得到的圖案受模板限制；而噴墨打印方法可以將直寫圖案與乳膠粒組裝有機結合在一起，為光子晶體圖案的制備提供簡單的方法。到目前為止，噴墨打印光子晶體圖案的工作主要涉及通過調控基材的親疏水性實現乳膠粒的有序組裝(L.Y.Cui1Y.L Song, J.Mater.Chem.2009，19，5499-5502 ;Η.-Y.Koj J.Park, H.Shin and J.Moon, Chem.Mater.2004, 16，4212)。本案 申請人:已經通過調控基材浸潤性實現了高質量的光子晶體圖案的制備，通過普通的噴墨打印機實現了乳膠粒的有序組裝，單帶隙以及雙帶隙圖案的有效制備(CN200810115540.9)。并且通過將響應性單體引入到含乳膠粒的體系中，可以通過噴墨打印一種粒徑的乳膠粒，并經外界刺激響應后可得到多個顏色圖案的制(201010578852.0)。在最近的研究中，本案 申請人:發現不僅基材的表觀接觸角會影響乳膠粒的組裝性能，基材的粘附力也會影響乳膠粒的組裝，尤其影響所組裝光子晶體膜的光學性倉(Yu Huang, Jinming Zhou, Bin Su, Lei Shi, Jingxia Wang, Shuoran Chen, LibinWang, Jian Zi, Yanlin Song, Lei Jiang, J.Am.Chem.Soc.，2012，134，17053-17058)。但基材的粘附力對噴墨打印光子晶體圖案的影響未見報道。在本發明中，本案 申請人:展示了通過簡單的選用低粘附的固體基材可以實現噴墨打印高質量的光子晶體圖案。這種方法簡單、成本低廉，所制備的光子晶體圖案顯示了非常高的光學性能及優秀的廣角性，對于發展光子晶體在高性能光學器件中的應用具有重要意義。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供利用低粘附的固體基材由噴墨打印技術而制備得到的具有高質量及高光學性能和優秀廣角性的光子晶體圖案。
[0004]本發明的另一目的是提供一種簡便、低成本、易規模化的利用噴墨打印技術制備光子晶體圖案的方法，特別是利用噴墨打印設備在低粘附的固體基材的表面制備具有高質量及高光學性能和優秀廣角性的光子晶體圖案的方法。
[0005]本發明的另一目的是提供具有高質量及高光學性能和優秀廣角性的光子晶體圖案在分光計、光子晶體濾波片、反射光片及可調光子晶體激光器等領域中的應用。
[0006]本發明的噴墨打印的高質量的光子晶體圖案是通過噴墨打印方法制備得到的由蛋白石結構的光子晶體構成的圖案。
[0007]所述的蛋白石結構的光子晶體的光子帶隙在200?2600nm之間。
[0008]所述的蛋白石結構的光子晶體是以單分散膠體微球為組成單元，且由單分散膠體微球周期性排列形成的單光子帶隙、雙光子帶隙或多光子帶隙的光子晶體。
[0009]所述的由單分散膠體微球周期性排列形成的單光子帶隙、雙光子帶隙或多光子帶隙的光子晶體所構成的光子帶隙均在200?2600nm之間。
[0010]所述的單分散膠體微球的粒徑是80?llOOnm。
[0011]所述的單分散膠體微球是已知市售的單分散聚合物膠體微球或二氧化硅膠體微球。
[0012]所述的單分散聚合物膠體微球優選選自單分散聚苯乙烯膠體微球、聚甲基丙烯酸甲酯膠體微球和聚(苯乙烯一甲基丙烯酸甲酯一丙烯酸)聚合物膠體微球中的一種。
[0013]本發明的噴墨打印的高質量的光子晶體圖案的制備方法是將具有相同粒徑的單分散膠體微球分散到水中制成含有相同粒徑的單分散膠體微球的乳液，或者將兩種或多種具有不同粒徑的單分散膠體微球分別分散到水中，分別制成含有不同粒徑的單分散膠體微球的乳液，通過噴墨打印設備(如噴墨打印機)將得到的含有相同粒徑的單分散膠體微球的乳液，或者將兩種或多種含有不同粒徑的單分散膠體微球的乳液噴射到低粘附的固體基材的表面并干燥，在低粘附的固體基材的表面得到高質量的光子晶體圖案，其中光子晶體的光子帶隙在紫外光、可見光或紅外光區域。所制備的由蛋白石結構的光子晶體構成的圖案是根據計算機軟件設計得到。
[0014]本發明的噴墨打印的高質量的光子晶體圖案的制備方法為:室溫下，將含有相同粒徑的單分散膠體微球的乳液，或者將兩種或多種含有不同粒徑的單分散膠體微球的乳液分別裝載于噴墨打印設備(如噴墨打印機)的不同的墨盒中，其中每一墨盒中的單分散膠體微球的粒徑相同，且每一墨盒中的含有單分散膠體微球的乳液是由單分散膠體微球分散到水中制成，乳液中的單分散膠體微球的濃度均為0.01wt%?20wt% ;然后采用噴墨打印的方法，將所述的乳液噴射到低粘附的固體基材的表面，干燥，在低粘附的固體基材的表面得到聞質量的光子晶體圖案。
[0015]所述的分散優選是采用超聲分散。
[0016]所述的單分散膠體微球的粒徑是80?llOOnm。
[0017]所述的單分散膠體微球是已知市售的單分散聚合物膠體微球或二氧化硅膠體微球。
[0018]所述的單分散聚合物膠體微球優選選自單分散聚苯乙烯膠體微球、聚甲基丙烯酸甲酯膠體微球和聚(苯乙烯一甲基丙烯酸甲酯一丙烯酸)聚合物膠體微球中的一種。
[0019]所述的干燥的溫度為5?95°C。所述的干燥時的相對濕度為5%?95%。
[0020]所述的低粘附的固體基材是經氟硅烷處理的固體基材，或是表面涂覆有聚二甲基硅氧烷(PDMS)的固體基材。
[0021]所述的經氟硅烷處理的固體基材是將所選的潔凈的固體基材置于80°C的具有氟硅烷氣氛的烘箱中3?8個小時得到。
[0022]所述的固體基材優選選自玻璃片、石英片、硅片、云母片、金屬片(如鋁片或銅片等)和聚合物(如聚苯乙烯或聚乙烯等)片等中的一種。
[0023]本發明的利用噴墨打印的方法在低粘附的固體基材的表面制備得到的由蛋白石結構的光子晶體構成的光子晶體圖案的光子帶隙在200~2600nm之間。
[0024]本發明制備的光子晶體圖案中的單分散膠體微球進行了非常有序的堆積，顯示了很好的光學性能。重要的是，由于噴墨墨滴的三相接觸線在低粘附的固體基材表面的滑移，導致單分散膠體微球進行了緊密的堆積，形成了具有高的長徑比的墨滴，這使得所制備的光子晶體圖案具有優秀的變角性。當觀察角從O度到180度變化時，都具有非常好的光學性能。
[0025]本發明的光子晶體圖案可用于作為制備分光計、光子晶體濾波片、反射光片及可調光子晶體激光器等的材料使用。
[0026]本發明的光子晶體圖案具有高的光學性能及很好的廣角性。當改變含有單分散膠體微球的乳液的濃度時，還可以調控打印墨滴的尺寸；當乳液中含有熒光分子時，可以制備得到高性能的熒光顯示器件。本發明制備光子晶體圖案的方法操作簡單、制備成本低廉、適合大規模制備高質量光子晶體圖案。所制備的高質量的光子晶體圖案在分光計、光子晶體濾波片、反射光片及可調光子晶體激光器，顯示器件等領域具有重要應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1.作為本發明實施例4的空白對照樣，將含有粒徑為210nm的單分散聚(苯乙烯一甲基丙烯酸甲酯一丙烯酸)膠體微球的乳液噴射到玻璃片的表面，并在50°C干燥后，得到的墨滴的組裝結構及形貌(a);本發明實施例4的將含有粒徑為210nm的單分散聚(苯乙烯一甲基丙烯酸甲酯一丙烯酸)膠體微球的乳液噴射到經氟硅烷處理的玻璃片的表面，并在50°C干燥后，得到的墨滴的組裝結構及形貌(b)。
[0028]圖2.本發明實施例4的將含有粒徑為210nm的單分散聚(苯乙烯一甲基丙烯酸甲酯一丙烯酸)膠體微球的乳液噴射到經氟硅烷處理的玻璃片的表面，并在50°C干燥后，得到的聞質量的光子晶體圖案。
【具體實施方式】
[0029]實施例1.
[0030]室溫下，將粒徑為SOnm的單分散聚(苯乙烯一甲基丙烯酸甲酯一丙烯酸)膠體微球超聲分散于水中，制備得到濃度為0.01wt%的乳液，將得到的乳液裝載于噴墨打印機的墨盒中，然后通過噴墨打印機，將所述的乳液噴射到經氟硅烷處理的聚乙烯薄膜的表面(聚乙烯薄膜的處理過程為將潔凈的聚乙烯薄膜置于80°C的具有氟硅烷氣氛的烘箱中5個小時得到)，噴射出的液滴的大小為30 μ m ;待所述的乳液噴射完畢后于溫度為5°C、相對濕度為5%的條件下干燥，干燥后便可在聚乙烯薄膜的表面得到以單分散聚(苯乙烯一甲基丙烯酸甲酯一丙烯酸)膠體微球自組裝形成的光子帶隙位于200nm的，以單分散聚(苯乙烯一甲基丙烯酸甲酯一丙烯酸)膠體微球為組成單元，且由單分散(苯乙烯一甲基丙烯酸甲酯一丙烯酸)膠體微球周期性排列形成的單光子帶隙的蛋白石結構的光子晶體的光子晶體圖案。
[0031]上述得到的連續光子晶體圖案可用于作為制備分光計、光子晶體濾波片、反射光片、可調光子晶體激光器或顯示器件的材料使用。
[0032]實施例2.
[0033]室溫下，將粒徑為IlOOnm的單分散聚苯乙烯膠體微球超聲分散于水中，制備得到濃度為15wt%的乳液，將得到的乳液裝載于噴墨打印機的墨盒中，然后通過噴墨打印機，將所述的乳液噴射到經氟硅烷處理的聚乙烯薄膜的表面(聚乙烯薄膜的處理過程為將潔凈的聚乙烯薄膜置于80°C的具有氟硅烷氣氛的烘箱中5個小時得到)；待所述的乳液噴射完畢后于溫度為95°C、相對濕度為95%的條件下干燥，干燥后便可在聚乙烯薄膜的表面得到以單分散聚苯乙烯膠體微球自組裝形成的光子帶隙位于2600nm的，以單分散聚苯乙烯膠體微球為組成單元，且由單分散聚苯乙烯膠體微球周期性排列形成的單光子帶隙的蛋白石結構的光子晶體的光子晶體圖案。
[0034]上述得到的連續光子晶體圖案可用于作為制備分光計、光子晶體濾波片、反射光片、可調光子晶體激光器或顯示器件的材料使用。
[0035]實施例3.
[0036]室溫下，將粒徑分別為180nm、210nm的單分散聚甲基丙烯酸甲酯膠體微球分別超聲分散于水中，分別制備得到濃度均為15wt%的乳液，將得到的含有粒徑分別為180nm、210nm的單分散聚甲基丙烯酸甲酯膠體微球的乳液分別裝載于噴墨打印機的不同的墨盒中，其中每一墨盒中的單分散聚甲基丙烯酸甲酯膠體微球的粒徑相同；然后通過噴墨打印機，將所述的乳液噴射到氧等離子處理的云母片的表面(云母片的處理過程為將潔凈的云母片置于80°C的具有氟硅烷氣氛的烘箱中3個小時得到)；待所述的乳液噴射完畢后于溫度為50°C、相對濕度為60%的條件下干燥，干燥后便可在云母片的表面得到以粒徑分別為180nm、210nm的單分散聚甲基丙烯酸甲酯膠體微球自組裝形成的光子帶隙分別位于450nm及530nm的，以粒徑分別為180nm、210nm的單分散聚甲基丙烯酸甲酯膠體微球為組成單元，且由粒徑分別為180nm、210nm的單分散聚甲基丙烯酸甲酯膠體微球周期性排列形成的雙光子帶隙的蛋白石結構的光子晶體的光子晶體圖案。
[0037]上述得到的連續光子晶體圖案可用于作為制備分光計、光子晶體濾波片、反射光片、可調光子晶體激光器或顯示器件的材料使用。
[0038]實施例4.
[0039]室溫下，將粒徑為210nm的單分散聚(苯乙烯一甲基丙烯酸甲酯一丙烯酸)膠體微球超聲分散于水中，制備得到濃度為20wt%的乳液，將得到的乳液裝載于噴墨打印機的墨盒中，然后通過噴墨打印機，將所述的乳液噴射到經氟硅烷處理的玻璃片的表面(玻璃片的處理過程為將潔凈的玻璃片置于80°C的具有氟硅烷氣氛的烘箱中8個小時得到)；待所述的乳液噴射完畢后于溫度為20°C、相對濕度為20%的條件下干燥，干燥后便可在玻璃片的表面得到以聚(苯乙烯一甲基丙烯酸甲酯一丙烯酸)膠體微球自組裝形成的光子帶隙位于530nm的，以聚(苯乙烯一甲基丙烯酸甲酯一丙烯酸)膠體微球為組成單元，且由聚(苯乙烯一甲基丙烯酸甲酯一丙烯酸)膠體微球周期性排列形成的單光子帶隙的蛋白石結構的光子晶體的光子晶體圖案。
[0040]如圖1所示，將所述的乳液噴射到未經氟硅烷處理的玻璃片的表面(a)及經氟硅烷處理的玻璃片的表面(b)，其顯示了噴墨墨滴在未經氟硅烷處理的玻璃片的表面(a)及經氟硅烷處理的玻璃片的表面(b)的浸潤鋪展情況的對照結果；其中包括噴墨噴墨在未經氟硅烷處理的玻璃片的表面及經氟硅烷處理的玻璃片的表面上的聚(苯乙烯一甲基丙烯酸甲酯一丙烯酸)膠體微球的堆積情況，噴墨墨滴的整體形貌以及噴墨墨滴的側面圖，圖中還給出了噴墨墨滴在未經氟硅烷處理的玻璃片的表面及經氟硅烷處理的玻璃片的表面上的接觸角，噴墨墨滴在未經氟硅烷處理的玻璃片的表面的接觸角為33.6° ±4.8°，噴墨墨滴在經氟硅烷處理的玻璃片的表面的接觸角為89.4° ±2.6°。當噴墨墨滴噴射到未經氟硅烷處理的玻璃片的表面上時，噴墨墨滴在未經氟硅烷處理的玻璃片的表面上發生了充分的浸潤鋪展，顯示了很大的鋪展面積，由于咖啡環效應，噴墨墨滴中的聚(苯乙烯一甲基丙烯酸甲酯一丙烯酸)膠體微球多向外部遷移，致使噴墨墨滴中部的聚(苯乙烯一甲基丙烯酸甲酯一丙烯酸)膠體微球疏松，邊緣的聚(苯乙烯一甲基丙烯酸甲酯一丙烯酸)膠體微球較多;其聚(苯乙烯一甲基丙烯酸甲酯一丙烯酸)膠體微球隨機分散在未經氟硅烷處理的玻璃片的表面，噴墨墨滴展不了咖啡環沉積形貌；側視圖顯不了噴墨墨滴具有低的聞度。相對應的，當噴墨墨滴噴射到經氟硅烷處理的玻璃片上后，噴墨墨滴進行了迅速的堆積，其中的聚(苯乙烯一甲基丙烯酸甲酯一丙烯酸)膠體微球進行了有序的組裝，形成了具有較大長徑比的噴墨墨滴，貢獻于噴墨墨滴高的光學性能及優秀的廣角性，由此導致所制備的光子晶體圖案具有高的光學性能及優秀的廣角性，如圖2所示。
[0041]上述得到的連續光子晶體圖案可用于作為制備分光計、光子晶體濾波片、反射光片、可調光子晶體激光器或顯示器件的材料使用。
[0042]實施例5.
[0043]室溫下，將粒徑分別為190nm、210nm、280nm的單分散二氧化硅膠體微球分別超聲分散于水中，分別制備得到濃度均為20wt%的乳液，將得到的含有粒徑分別為190nm、210nm、280nm的單分散二氧化硅膠體微球的乳液分別裝載于噴墨打印機的不同的墨盒中，其中每一墨盒中的單分散二氧化硅膠體微球的粒徑相同；然后通過噴墨打印機，將所述的乳液噴射到氧等離子處理的銅片的表面(銅片的處理過程為將潔凈的銅片置于80°C的具有氟硅烷氣氛的烘箱中5個小時得到)；待所述的乳液噴射完畢后于溫度為50°C、相對濕度為50%的條件下干燥，干燥后便可在銅片的表面得到以粒徑分別為190nm、210nm、280nm的單分散二氧化硅膠體微球自組裝形成的光子帶隙分別位于495nm、530nm及695nm的，以粒徑分別為190nm、210nm、280nm的單分散二氧化硅膠體微球為組成單元，且由粒徑分別為190nm、210nm、280nm的單分散二氧化硅膠體微球周期性排列形成的三光子帶隙的蛋白石結構的光子晶體的光子晶體圖案。
[0044]上述得到的連續光子晶體圖案可用于作為制備分光計、光子晶體濾波片、反射光片、可調光子晶體激光器或顯示器件的材料使用。
[0045] 實施例6.
[0046]室溫下，將粒徑分別為190nm、210nm、240nm、280nm、300nm、420nm的單分散聚(苯乙烯一甲基丙烯酸甲酯一丙烯酸)膠體微球分別超聲分散于水中，分別制備得到濃度均為5wt%的乳液，將得到的含有粒徑分別為190nm、210nm、240nm、280nm、300nm、420nm的單分散聚(苯乙烯一甲基丙烯酸甲酯一丙烯酸)膠體微球的乳液分別裝載于噴墨打印機的不同的墨盒中，其中每一墨盒中的聚(苯乙烯一甲基丙烯酸甲酯一丙烯酸)膠體微球的粒徑相同；然后通過噴墨打印機，將所述的乳液噴射到表面有PDMS涂覆的石英片的表面；待所述的乳液噴射完畢后于溫度為50°C、相對濕度為50%的條件下干燥，干燥后便可在表面有PDMS涂覆的石英片的表面得到以粒徑分別為190nm、210nm、240nm、280nm、300nm、420nm的單分散聚(苯乙烯一甲基丙烯酸甲酯一丙烯酸)膠體微球自組裝形成的光子帶隙分別位于495nm、530nm、580nm、650nm、750nm、1050nm 的，以粒徑分別為 190nm、210nm、280nm 的單分散二氧化娃膠體微球為組成單元，且由粒徑分別為190nm、210nm、240nm、280nm、300nm、420nm的單分散聚(苯乙烯一甲基丙烯酸甲酯一丙烯酸)膠體微球周期性排列形成的六光子帶隙的蛋白石結構的光子晶體的光子晶體圖案。
[0047]上述得到的連續光子晶體圖案可用于作為制備分光計、光子晶體濾波片、反射光片、可調光子晶體激光器或顯示器件的材料使用。
【權利要求】
1.一種噴墨打印的光子晶體圖案，其特征是:所述的光子晶體圖案是通過噴墨打印方法制備得到的由蛋白石結構的光子晶體構成的圖案。
2.根據權利要求1所述的噴墨打印的光子晶體圖案，其特征是:所述的蛋白石結構的光子晶體的光子帶隙在200?2600nm之間。
3.根據權利要求1或2所述的噴墨打印的光子晶體圖案，其特征是:所述的蛋白石結構的光子晶體是以單分散膠體微球為組成單元，且由單分散膠體微球周期性排列形成的單光子帶隙、雙光子帶隙或多光子帶隙的光子晶體。
4.根據權利要求3所述的噴墨打印的光子晶體圖案，其特征是:所述的由單分散膠體微球周期性排列形成的單光子帶隙、雙光子帶隙或多光子帶隙的光子晶體所構成的光子帶隙均在200?2600nm之間。
5.根據權利要求4所述的噴墨打印的光子晶體圖案，其特征是:所述的單分散膠體微球的粒徑是80?11OOnm。
6.根據權利要求4或5所述的噴墨打印的光子晶體圖案，其特征是:所述的單分散膠體微球是單分散聚合物膠體微球或二氧化娃膠體微球。
7.根據權利要求6所述的噴墨打印的光子晶體圖案，其特征是:所述的單分散聚合物膠體微球選自單分散聚苯乙烯膠體微球、聚甲基丙烯酸甲酯膠體微球和聚(苯乙烯一甲基丙烯酸甲酯一丙烯酸)聚合物膠體微球中的一種。
8.一種根據權利要求1?7任意一項所述的噴墨打印的光子晶體圖案的制備方法，其特征是:室溫下，將含有相同粒徑的單分散膠體微球的乳液，或者將兩種或多種含有不同粒徑的單分散膠體微球的乳液分別裝載于噴墨打印設備的不同的墨盒中，其中每一墨盒中的單分散膠體微球的粒徑相同，且每一墨盒中的含有單分散膠體微球的乳液是由單分散膠體微球分散到水中制成，乳液中的單分散膠體微球的濃度均為0.01wt%? 20wt% ;然后采用噴墨打印的方法，將所述的乳液噴射到低粘附的固體基材的表面，干燥，在低粘附的固體基材的表面得到光子晶體圖案； 所述的低粘附的固體基材是經氟硅烷處理的固體基材，或是表面涂覆有聚二甲基硅氧烷的固體基材。
9.根據權利要求8所述的制備方法，其特征是:所述的固體基材選自玻璃片、石英片、硅片、云母片、金屬片和聚合物片中的一種。
10.一種根據權利要求1?7任意一項所述的噴墨打印的光子晶體圖案的應用，其特征是:所述的光子晶體圖案用于作為制備分光計、光子晶體濾波片、反射光片及可調光子晶體激光器的材料使用。
【文檔編號】B41J2/01GK104044342SQ201310078516
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2013年3月12日 優先權日:2013年3月12日
【發明者】鄺旻翾, 王京霞, 宋延林 申請人:中國科學院化學研究所