光子晶体的介绍及制备技术

2026 05 11 20:43:53

自然界中有些动物在面对威胁时会改变身体的颜色，以吓退掠食者，或在环境中伪装，以躲避潜在的捕食者或迷惑猎物。

比如，一些头足类动物和变色龙，它们可以瞬间根据周围的背景调整自己的色彩；一些甲虫会根据湿度的变化，改变自己外骨骼的颜色，斑马鱼会根据光照条件改变它们的外观，这只是其中的一些例子。

所有这些生物都有一个共同的特征：拥有会变化的结构色。

结构色(Structural Color)是自然界中普遍存在的两种颜色之一，和源于化学染料的色素色不同，结构色来自于材料的微观结构与特定波长的光发生的干涉，因此它们不受色素光化学降解的影响，并具有鲜亮的颜色和金属光泽。

光子晶体简介

光子晶体(Photonic Crystals)是一种典型的具有结构色的功能材料，它是由两种不同折光系数的材料在空间上周期交替排列构成的，和半导体晶体类似，这种有序的排列形成了周期性的势场。

当光波通过光子晶体时，特定波长的光会被反射，当反射波长在可见光范围内时，会形成鲜亮的结构色。

下图中是一些具有结构色的生物,大闪蝶绚丽的彩虹色来源于翅膀上鳞片的有序层级纳米结构，蓝斑甲虫的颜色来源于由一层几丁质构成的固体薄片和一层平行的矩形杆构成的多孔层组成的光子晶体结构；霓虹灯鱼的结构色来源于细胞内鸟吟晶体与细胞质间的堆叠等。

可以说，自然界中许多生物都在利用光子晶体结构，来躲避天敌、捕捉猎物、争夺繁衍的机会。

光子晶体的结构

光子晶体的典型结构可以用布拉格堆叠来解释。布拉格堆叠是由两个不同折射率的介质交替沉积而成的多层结构。

根据下图的原理图，A和 B是折射率分别为na和nb的两种材料，形成的交替层的厚度为dA和dB，当满足下列条件时，层间反射的光发生相长干涉。

光在光子晶体中的衍射同样符合布拉格方程，因此布拉格定律可以用来解释有序胶体粒子阵列的衍射。

假设有一组相同的球体，如上图B中所示，由这些球体反射的光组成的波长，则决定了人们在观察光子晶体时看到的颜色，波长的公式可用以下方程表示。

式中，D为平面间距，neff为球面的有效折射率，θ角为入射光的角度。

由式可知，光子晶体的反射波长取决于球层的间距D、介质的有效折射率neff 和光波的入射角θ。

因此，光子晶体的结构色具有角度依赖性和可协调性。

通过调整这些参数，就可以根据需要改变反射光的波长，控制光子晶体结构色。

光子晶体的分类

根据光子晶体的周期结构在空间维度上的排列维数，目前可以把光子晶体分为一维(1D)光子晶体、二维(2D)光子晶体和三维(3D)光子晶体。

一维光子晶体只在一个维度具有周期有序结构，能够观察到光子晶体的结构色，如蝴蝶的翅膀；二维光子晶体在两个维度上存在周期有序结构，如鸟类的羽毛；三维光子晶体在三维空间中各个方向都具有周期有序结构，如昆虫的甲壳、蛋白石等。

从构成材料上，光子晶体可以分为无机材料光子晶体和有机材料光子晶体。

根据介质材料周期节点是否空缺，光子晶体可以分为蛋白石型和反蛋白石型光子晶体。

根据光子晶体反射光谱的波段，可以把光子晶体分为微波光子晶体(0.1-100 cm)、红外波光子晶体(0.78-15 um)可见光光子晶体(390-780nm)和紫外光光子晶体(200-390nm)。如图。

另外，还可以根据光子禁带的方向，划分为不完全带隙光子晶体和完全带隙光子晶体，不完全带隙光子晶体也称为赝带隙光子晶体，它只能在特定方向上反射某个频率范围内的电磁波，完全带隙光子晶体能在任意方向上反射某一频率范围内任意偏振态的电磁波。

光子晶体的制备技术

自从在自然界中认识到了光子晶体这一神奇的结构以来，人们研究和开发了多种途径用于构筑光子晶体结构。

这些方法从设计思路上可以分为“自上而下”和“自下而上两类。“自上而下”的构筑方法，一般是通过激光或其他刻蚀技术，构建自上而下的有序结构。

比如，电子束光刻、聚焦离子束光刻、扫描探针光刻、全息光刻、纳米压印光刻、软光刻等，这些都是“自上而下”策略的一些常用方法。

但是这些方法通常需要先进的技术和昂贵的仪器，还需要设计相应的程序代码，制备成本高昂，制约了这种方法的发展和应用。

“自下而上”则像搭建积木，通过从下自上层层堆叠，可以方便地设计每层介质材料和厚度。

“自下而上”策略制备的光子晶体也可以分为两类：一类是嵌段共聚物光子晶体，另一类则是胶体光子晶体。

嵌段共聚物光子晶体(BCP)是将两种内聚能密度不同的聚合物链通过化学键结合在一起的结构，当处于最低临界温度Tc以下时，两种聚合物链之间存在推拒作用，而聚合物链之间的化学键限制了推拒范围，最终形成周期性的光子晶体结构。

聚合物的结构具有可设计的特点，每层介质的厚度和周期都可以人为调控人们研究出了不同的嵌段共聚物光子晶体应用于各种传感领域。

通过旋涂法将聚苯乙烯-b-2-乙烯基吡啶(PS-b-P2VP)嵌段共聚物自组装在硅片上，形成 PS 与P2VP片层交替有序排列的光子晶体，季化后进行干燥,然后将 LitTFSI离子液体、PEGDA、2-HEA、PVA、引发剂和水形成的离子凝胶涂在BCP表面，会优先渗入季化的 P2VP(QP2VP)中发生溶胀，光固化后得到相互影响水凝胶网络嵌段共聚物光子晶体 (IHNBCP)。

由于吸湿性的Li+TFSI-离子液体在OP2VP层间容易吸收水分，因此能响应空气湿度，当空气湿度从30%上升到90%时，结构色红移约100 nm。

另外，该光子晶体薄膜具有负电荷，能感知手指划过时的电流变化，识别手指的动作，并通过结构色变化进行响应，如图9。

另一种通过“自下而上”策略制备的光子晶体是胶态光子晶体(Colloidal PhotonicCrystal)，它是由尺寸分布均一的胶体粒子，在空间中自组装成有序周期结构而形成的。

粒径窄分布的胶体粒子是构筑胶态光子晶体的基本单元，相比于嵌段共聚物光子晶体.胶体粒子的种类和粒径更容易调控，因此，胶体光子晶体吸引了人们广泛的研究兴趣目前，将无机粒子(SiO2、TO2)、有机聚合物粒子(PMMA、PNIPAM)以及无机-有机复合粒子(Fe304@C、Fe304@PMAA、PS@PDA)用于构筑胶态光子晶体的研究都有被报道。