[论文解读] 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 1

一句话总结

本研究首次通过弯曲诱导振荡剪切（BIOS）实现了高度有序、多分散的二元和三元聚合物蛋白石（PO）合金的纳米组装，实现了高达120%的粒子直径比——远超传统胶体体系中约0.5–0.6的典型上限。该方法实现了大规模、无溶剂的厚（最高80 µm）、多层光子薄膜的制备，通过控制粒子尺寸混合与剪切诱导有序，实现可调谐的结构色。

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.

研究动机与目标

• 通过实现高尺寸比合金化，克服胶体合金组装中的根本限制，即粒子尺寸比低于约0.3或高于约0.6时通常不稳定。
• 开发一种可扩展的、无溶剂的方法，用于组装多分散光子晶体，以增强结构有序性和光学可调谐性。
• 证明在振荡剪切作用下的粘弹性体系即使在高多分散性下也能实现长程晶体有序，突破经典胶体稳定性约束。
• 通过控制三种尺寸聚合物微球（92 nm、110 nm、130 nm）的混合，实现厚度达80 µm、多层结构的光子薄膜，具有独特且可调谐的结构色。
• 确立BIOS工艺作为通用平台，用于构建对单分散性要求更低的功能性复合光学材料。

提出的方法

• 采用弯曲诱导振荡剪切（BIOS）技术，在无溶剂、粘弹性的核-中间层-壳型聚合物纳米颗粒分散体系中诱导长程晶体有序。
• 通过多级乳液聚合合成具有精确控制的三种不同外半径的硬核/软壳微球：92 nm（B）、110 nm（G）和130 nm（R），每种粒子的多分散度为2–4%。
• 通过混合粒子并施加40次BIOS循环（在受控应变率下），制备二元（G:R = 1:1）和三元（B:G:R = 3:2:1、1:1:1、1:2:3）合金。
• 利用聚焦离子束-扫描电子显微镜（FIB-SEM）表征结构有序性，以可视化横截面分层结构及面内六方密堆积。
• 通过在法向和角度依赖入射条件下进行小角X射线散射（SAXS）分析倒空间结构，评估晶体质量、晶格周期性及取向。
• 通过镜面反射光谱测量光学响应，将布拉格峰位置和振幅与组成及结构有序性相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 BIOS方法是否能够克服通常限制胶体合金稳定自组装的尺寸比限制（DS/L > 0.6）？
• RQ2 在无溶剂、粘弹性的体系中，高多分散性（2–4%）在形成长程有序光子晶体时可容忍到何种程度？
• RQ3 振荡剪切是否会在多组分聚合物蛋白石合金中诱导密堆积方向沿剪切方向优先对齐？
• RQ4 能否通过单步、可扩展的无溶剂工艺制备厚度达80 µm、多层结构的光子薄膜，实现可调谐的结构色？
• RQ5 与单组分体系相比，二元和三元合金中的有效折射率对比度和布拉格峰振幅如何变化？

主要发现

• BIOS工艺成功制备了高度有序的二元和三元聚合物蛋白石合金，粒子直径比高达120%（DS/L = 0.85），远超胶体合金通常的上限约0.6。
• FIB-SEM成像证实了具有面内六方密堆积的分层结构，最密堆积（mcp）方向沿剪切方向对齐。
• SAXS图谱在BIOS处理后显示出清晰、尖锐的衍射斑点，表明存在长程有序，且斑点位置随剪切循环次数系统性移动。
• 将布拉格峰振幅归一化至多分散度后，所有二元和三元合金均表现出一致的强度，表明尽管存在尺寸多分散性，结构质量仍很高。
• 三元合金在3:2:1、1:1:1和1:2:3的组成下，其峰值波长分别为577 nm、613 nm和640 nm，表明在可见光谱范围内具有可调谐的结构色。
• 沿深度方向对有效折射率分布进行快速傅里叶变换（FFT）显示所有样品均具有稳定的周期性，其中三元合金的对比度最高。