[論文レビュー] Nanoassembly of Polydisperse Photonic Crystals Based on Binary and Ternary Polymer Opal Alloys

Qibin Zhao, Chris E. Finlayson+6 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2016

Photonic Crystals and Applications被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、曲げ誘発振動せん断（BIOS）を用いて、最初に高秩序で多分散性を示す二成分および三成分ポリマーオパール（PO）合金のナノアセンブリを成功裏に達成した。粒子径比が120%に達するまで秩序ある構造を形成でき、従来のコロイド系では一般的に~0.5–0.6が上限であるのに対し、著しく上回る。この手法により、溶媒を不使用で大規模に、厚さ80 µmに達する多層型光子薄膜を、粒子径の制御混合作用とせん断誘発秩序化によって、調整可能な構造色を発現させることが可能となった。

ABSTRACT

Ordered binary and ternary photonic crystals, composed of different sized polymer‐composite spheres with diameter ratios up to 120%, are generated using bending‐induced oscillatory shearing. This viscoelastic system creates polydisperse equilibrium structures, producing mixed opaline colored films with greatly reduced requirements for particle monodispersity, and very different sphere size ratios compared to other methods of nanoassembly.

研究の動機と目的

• コロイド合金アセンブリにおける根本的な制限を克服すること。通常、粒子径比が~0.3未満または~0.6を超えると不安定となるが、高径比合金化を可能とする。
• スケーラブルで溶媒を不使用とする方法を開発し、多分散性光子結晶の構造的秩序と光学的チューナビリティを向上させること。
• 粘弾性系が振動せん断下にあっても、高多分散性でさえも長距離結晶秩序を達成できることを示し、古典的コロイド安定性制約に反する事実を明らかにすること。
• 3種の粒子径（92 nm、110 nm、130 nm）を制御的に混合することで、厚さ80 µm、多層型の光子薄膜を1工程で大規模に作製し、明確で調整可能な構造色を発現させること。
• BIOSプロセスが、単分散性の要件を低減した機能的複合光学材料を創出する一般化可能なプラットフォームとして確立すること。

提案手法

• コア・インターレイヤー・シェル型ポリマー・ナノ粒子の溶媒不使用の粘弾性分散系に、曲げ誘発振動せん断（BIOS）を適用し、長距離結晶秩序を誘導した。
• マルチステージエマルジョン重合を用いて、3つの異なる外半径（92 nm（B）、110 nm（G）、130 nm（R））を精密に制御した、硬核/ソフトシェル球体を合成。各粒子の多分散度は2–4%であった。
• 粒子を混合し、制御されたひずみ速度で40回のBIOSパスを適用することで、二成分（G:R = 1:1）および三成分（B:G:R = 3:2:1、1:1:1、1:2:3）合金を形成した。
• 焦点走査イオンビーム走査電子顕微鏡（FIB-SEM）を用いて、断面構造と平面内六角配置を可視化することで、構造的秩序を評価した。
• 通常入射および角度依存入射の小角X線回折（SAXS）を用いて、逆空間構造を分析し、結晶品質、格子周期性、方位を評価した。
• 鏡面反射スペクトロスコピーを用いて光学的応答を測定し、ブレーガー極大位置と振幅が組成および構造的秩序とどのように相関するかを特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BIOS法は、通常コロイド合金で安定な自己集合が不可能となる粒子径比（DS/L > 0.6）の制限を克服できるか？
• RQ2 粘弾性で溶媒不使用の系において、高多分散性（2–4%）が長距離秩序光子結晶形成にどの程度耐えられるか？
• RQ3 振動せん断は、多成分ポリマー・オパール合金において、密 Packing 方向をせん断方向に優先的に整列させるか？
• RQ4 1工程でスケーラブルに、溶媒を介さずに、厚さ80 µmの多層型光子薄膜を、調整可能な構造色とともに作製可能か？
• RQ5 二成分および三成分合金では、単成分系と比較して、有効屈折率対比およびブレーガー極大振幅はどのように変化するか？

主な発見

• BIOSプロセスにより、粒子径比が120%（DS/L = 0.85）に達するまで、高秩序な二成分および三成分ポリマー・オパール合金が正常に形成された。これは、通常のコロイド合金の上限（~0.6）を著しく上回る。
• FIB-SEM像により、平面内六角密 Packing を示す層構造が確認され、最も密 Packing な方向（mcp）がせん断方向に整列していることが判明した。
• SAXSパターンでは、BIOS後、明確で鋭い回折スポットが観察され、長距離秩序が確認された。スポット位置は、せん断パス数の増加に伴い系統的にシフトした。
• 多分散度に補正したブレーガー極大振幅は、すべての二成分および三成分合金で一貫した強度を示し、粒子径の多分散性にもかかわらず、高い構造的品質が裏付けられた。
• 組成が3:2:1、1:1:1、1:2:3の三成分合金では、それぞれ577 nm、613 nm、640 nmのピーク波長を示し、可視光スペクトル全域にわたる調整可能な構造色を実現した。
• 深さ方向の有効屈折率プロファイルの高速フーリエ変換（FFT）により、すべての試料で一貫した周期性が確認され、特に三成分合金で最も高い対比度が観察された。