基于响应性光子带隙的结构色薄膜制备及应用

作     者：李新华 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐朝鹏;纪晶伟

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：结构色 光子带隙 类蜂窝结构 SiO2蛋白石结构 环氧树脂蛋白石结构 环氧树脂反蛋白石结构 

摘      要：颜色是生物界信息传播和交流的基础,在整个自然界的发展中起到了至关重要的作用。通过设计光子带隙结构对可见光进行调控可实现对颜色的调控,从而实现环保、高亮度和高饱和度的结构色。本文使用有限元分析软件COMSOL Multiphysics仿真计算了二维和三维光子带隙结构尺寸对结构生色的影响。结合仿真结果制备了响应性光子带隙结构色薄膜,并对薄膜的特性进行研究、分析与应用。首先,介绍了结构色的基本机理和特性,并分析了不同光子带隙结构产生结构色的基本方式,以及基材自身特性与刺激响应性变色的关系。介绍了有限元方法的基本模型和COMSOL Multiphysics软件波动光学模块的基本操作流程,为下一步模型的建立和仿真计算打下基础。其次,利用COMSOL Multiphysics软件仿真计算,验证了类蜂窝二维光子带隙和蛋白石与反蛋白石三维光子带隙结构在结构生色的可行性。对于不同光子带隙结构,研究了各尺寸参数及层数变化对结构生色的影响。数据表明,各光子带隙在可见光谱范围内均有较好的反射峰,能够实现优异的结构显色。最后,根据仿真结果,利用蒸发组装法和浸渍法制备了二氧化硅(SiO)蛋白石,经填充SiO蛋白石结构制备了环氧树脂蛋白石结构色薄膜,利用牺牲模板法制备了环氧树脂反蛋白石结构色薄膜,并通过在薄膜背部添加炭黑层提高了结构色的纯度。实验结果表明反蛋白石薄膜具有应力响应性、溶液响应性变色及光子带隙结构可重构的特性。据此实现了薄膜在可重写光子晶体纸领域的应用。制备的重写纸拥有两种重写方式。经过重复实验验证了实验方法的可行性和稳定性,制备的薄膜在防伪、传感、反射式显示等领域均有广阔的应用前景。