基于RGB色彩模式的多带隙光子晶体纳米链的构筑与光学性能开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

人们的生活离不开颜色，不同的颜色被赋予了不同的意义。然而日常生活中的颜色也有着不同的分类，我们通常使用的色素和颜料，更多的是一种化学色，这一类颜色是由于物质分子特殊化学键中电子的跃迁对特定波长光的吸收产生的颜色。而荧光是指一种光致发光的冷发光现象。荧光是荧光物质经入射光照射，吸收光能后进入激发态，立即退激发并发出比入射光的波长长的出射光。除了荧光色和化学色外，还有一种基于微纳结构干涉、衍射产生的物理色。研究者们发现，蝴蝶的色彩并不是来源于色素，而是其翅膀上微小鳞片周期性排布的光子晶体所产生的结构色，其显色规律满足布拉格衍射方程，特征是形成光子禁带。结构色相比较于化学色和荧光色有许多优点，首先，与传统染料和色素不同，结构色不受光致漂白的影响，因此它们比传统染料和色素更加耐用。其次，基于反射原则，结构色呈彩虹色和金属色，这是化学染料和色素不能模拟的，也因此使得光子晶体在涂料、防伪等领域有着广阔的应用前景。

在使用过程中往往需要根据不同环境使用不同的颜色，因此对颜色的调控也显得至关重要。就目前所研究的光子晶体结构色材料而言，根据光子带隙调控类型可分为单光带隙调控和多光子带隙调控。单带隙光子晶体的带隙随外场呈单调性变化，原则上说，在布拉格方程（λ=2ndsinθ，其中n为折射率，d为晶格平面间距和θ为布拉格掠射角）中出现的、有助于确定衍射波长的任何参数都是可以用于调控单光子带隙光子晶体的因素。如晶体的晶格常数，包括三维系统中粒子之间的距离和一维布拉格堆的层厚度。通过改变晶格常数从而调控光子晶体光学性质的方法已被人们广泛使用。例如，对于fe₃o₄＠sio₂纳米粒子来说，它不仅可以在磁场的作用下组装成具有周期性结构的光子晶体，而且因为负电荷聚集在其表面，同时还可以在电场的作用下组装成周期性结构，进而显示出结构色。kang等人采用电泳诱导的方法，使用fe₃o₄＠sio₂核壳纳米粒子作为显色基元，制备出了一种不具有角度依赖性的全光谱（从490nm到655nm）快速变化的电响应显示像素。光学性能优异是该显示像素的特点，高的光学对比度和良好的可协调性使得这种电响应显示像素具有重要的科学价值，打破了原有晶体pbg（photonic band gap，光子带隙）材料的角度依赖性对实际应用的限制。改变有效折射率也可以调控光子晶体的带隙。通常，折射率的变化伴随着相变过程或新物质的引入，例如溶剂和气体分子的选择性或非选择性吸收或渗透，高温相变，光学诱导的发色团相变，以及电致液晶分子取向。wentao wang等人利用聚（n-异丙基丙烯酰胺）（pnipam）的温度响应性，制备了一种磁致变色的光子水凝胶，由于超顺磁性的fe₃o₄＠sio₂受到外加磁场作用时会产生磁热效应，温度上升后，pnipam从亲水向疏水转变，大大降低了pnipam的吸水性,基质中水分含量的变化使光子水凝胶的体积、折射率和晶格常数可调，从而改变衍射波长并产生颜色变化。

相较于单带隙光子晶体通过对带隙单调调控而控制颜色的变化，可以直接复合多个光子带隙构筑多光子带隙光子晶体来实现颜色的调控。这种基于rgb显色原理（任意色光都可通过调控红、绿、蓝三种色光不同分量相加混合而成）的颜色叠加复合可以得到单光子带隙无法实现的颜色，其颜色种类更加丰富，可以实现更多信息的表达。由于其复杂的结构和多带隙的存在，在防伪和编码领域有着重要的应用价值，因而进入了人们的视野。haibo hu等人使用不同尺寸的fe₃o₄@c粒子，在溶液中经磁控组装方式构筑了一种具有双光子带隙异质结构的光子晶体，其双带隙光子晶体的光子带隙具有一定的可调节范围。但由于构成双带隙的两种粒子分别组装的单带隙光子晶体衍射峰强较低、半高宽较宽，导致组装的双带隙光子晶体带隙表现出较窄的动态调控能力。同时也表明组成双带系的光子晶体基元的性质是决定双带系光子晶体光学性能的关键。

2. 研究的基本内容与方案

研究的基本内容：

（1）r、g、b三色光子纳米链的制备与调控

将聚合物单体分散在fe₃o₄@pvp 光子晶体溶液中，在外加磁场及紫外光照射下引发自由基聚合反应制备光子晶体纳米链。探究反应物中响应性聚合物单体的种类与浓度、磁场施加时间、强度、聚合时间和温度等因素对制备的光子晶体链的峰位和峰宽的影响规律。

3. 研究计划与安排

第1–4周：查阅相关文献资料，设计研究方案，确定切实可行的实验技术路线，了解相关的结构和性能的测试方法，撰写开题报告。

第5–8周：按照设计方案，完成r、g、b三种颜色光子纳米链的合成与表征。

第9–12周：测试并分析r、g、b三种颜色光子纳米链的光学性能及其带隙可调性。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] haibo hu, qian-wang chen, jian tang, et al．photonic anti-counterfeiting using structural colors derived from magneticresponsive photonic crystals with double photonic bandgap heterostructures[j]. j. mater. chem., 2012, 22, 11048–11053.

[2] wentao wang, xiaoqiao fan, feihu li, jinjing qiu, malik muhammad umair, wenchen ren, benzhi ju, shufen zhang, and bingtao tang.magnetochromi photonic hydrogel for an alternating magnetic field-responsive color display[j].advanced optical materials,2018,1701093.

[3] arsenault a c, puzzo d p, ozin g a, et al. photonic-crystal full-colour displays[j]. nature photonics, 2007, 1(8): 468-472.