不同粒径SiO2粒子混合制备光子晶体结构色薄膜.docx

传统染料在染色过程中也伴随着高污染、高能耗的问题，并且容易受湿度、温度、光照等影响产生褪色。光子晶体结构色是更加生态环保的着色方式，无需化学着色剂，符合绿色、可持续发展的要求，同时还具有高亮度、高饱和度、不褪色等优点。光子晶体的结构色与微球粒径息息相关，在一定范围内，随着粒径的增加，结构色逐渐红移，并且这种颜色具有角度依赖性，即颜色随着观察角度的变化而变化。颜色与粒径的相关性以及这种特殊的生色效果限制了光子晶体在染料、颜料等显色领域的广泛应用。本研究中，将两种不同粒径的Si2纳米颗粒以不同质量比混合，直接构建出不同的结构色，并添加商业墨水以提高结构色的饱和度。不需要制备各种粒径的Si2,仅通过改变混合比例即可得到多种颜色，此方法简单高效，结构色不仅易调控还具有低角度依赖性，可广泛应用于颜料涂料、纺织服装、防伪、印刷包装等相关显色领域。摘要：采用基于Stober工艺的溶剂调控法制备了分散性较好的粒径为247和285nm的SiCh纳米粒子，通过调控两种Si2纳米粒子的混合比例构建不同颜色的结构色薄膜。当247nmSi2所占比例增加时，颜色逐渐蓝移，但由于非相干光散射的影响，光子晶体薄膜颜色变淡。为解决这一问题，在Si2悬浮液中加入墨水，当墨水质量分数增加时，薄膜的明度降低、饱和度提高，且墨水质量分数为0.06%时饱和度最高。考察了粒径、混合比例以及墨水质量分数对结构色的影响，结果发现，光子晶体的结构色受粒径影响，且符合布拉格公式，混合比例的不同改变了Si2的平均粒径，因而形成不同颜色。结论采用基于Stober工艺的溶剂调控法合成了285和247nm两种不同粒径的均匀Si2粒子，将两种Si2粒子分别按质量比10:0、7:3、5:5、3:7、0:10超声混合，通过重力沉降自组装法制备可调控光子晶体结构色薄膜。为解决薄膜颜色较浅问题，将墨水添加至Si02粒子悬浮液中，由于墨水中存在的炭黑粒子，使得薄膜的明度降低，色度提高。实验还确定了最佳墨水质量分数为006%,此时薄膜亮度较低，色度最高，结构色的对比度和饱和度最好。本研窕通过混合两种不同粒径的Si2粒子成功构建了不同颜色的结构色材料，不需要制备各种粒径的SiO2,仅通过改变混合比例即可得到多种颜色,其工艺优于传统的制备方法。此方法简单高效，结构色不仅易调控还具有低角度依赖性，可广泛应用于光子晶体颜料、智能生色、防伪印刷、包装、纺织服装等相关领域。图文导读表1SiO2的合成参数Table1SynthesisparametersofSiO2样品EtOH/mLNH3H2OnLH2OnLTEOSZniLSA53836Sb62836aIb300nmcId300nm图1Sa光子晶体薄膜的SEM图(a)及2D-FFT转换图(b)；Sb光子晶体薄膜的SEM图(C)及2D-FFT转换图(d)Fig. 1 SEMimage(a)and2D-FFTconversiondiagram(b)ofSaphotoniccrystalfilm:SEMimage(c)and2D-FFTconversiondiagram(d)ofSbphotoniccrystalfilm4400500600700波长nm6 2 8 «1图2垂宜观测角度下Sa、SB光子晶体薄膜的反射率谱图Fig. 2 ReflectionspectraofSAandSBphotoniccrystalfilmsobseredatverticalansle290500600波长nmOo 6 2 8 4 41170(20406080247nmSiO2的质量分数/%1008060405 5 520805 5 420406080100247nmSiO2的质量分数必80706050402 2 2 2 2580480'111240250260270280290平均粒径nm图3垂宜观察角度下不同混合比例的光子晶体薄膜的反射率波谱(a);反射率波谱中的反射峰波长与247皿402质量分数的关系图(1);平均粒径与247nmSC>2质量分数的关系图(c);反射峰波长与平均粒径的关系图(d)Fig. 3 ReflectionspectraofphotoniccrystalfilmswithdifferentmixingratiosObSerVedatverticalangle(a);Relationshipbetweenreflectionpeakwavelengthandmassfractionof247nnSiO2(b);Relationshipbetweenaverageparticlesizeandmassfraction247mnSiO2(c);RelationshipbetweenreflectionpeakwavelengthandaverageparticlesizeofSio2(d)a-w(Sa):M(Sl)=7：3：bw(S):三(S>>=5:5scw(Sa):m(S>)=3：7；dw<S):斓(Si)=1。：0：em(S):m(Sb)=5：5图4不同混合比例SiO2光子晶体薄裂的SEM及2DFFT转换图(ay);不同观察角度下的SiO2光子乱体薄腴的反射率波谐(d、CFtg4SEMimagesand2D-FFTconversiondiagramsofSiO：photoniccrystallmswithdifferentmixingratios(a*c);ReflectionspectraofSiO：photonicCIyStaIfilmsunderdifferentviewingangles(d.e)dww-wlMb-iw(Sa):w(Sb)=10：0;cm(Sjo:M(SB)=7:3;dm(SA):In(SB)=5:5;em(SA):E(SB)=3:7;fm(SA):E(SB)=O:10图5垂直角度下不同墨水质僦分数的SiO:光子晶体薄膜照片(a)及反射波诺(b-f)Fig.5Photos(a)andreflectionspectra(b£)ofSiO2photonicCryStaIfilmswithdifferentmassfractionsofinkTable 2 表2具有不同来水质最分数的光子M体薄膜的不和。值Table 3 1.'andC,valuesofphotonicCryStalfilmswithdifferentmassfractionsofink果水质量10:07:35:；53:；70:10分数/%LteL*C*L*Cz,CZ'C*036.183.7930.161.9733.713.0733.884.4435.889.490.0334.3914.0825.513.4429.233.8930.067.0830.3212.330.0627.0220.5924134.5928.865.0128.5371528.9114.600.0926.9117.4520.982.6927.474.0227.025.7427.7011.49注：比例均为MSA):刑(SB)表3具有不同墨水含量的光子晶体薄膜的力和/值Table 4 a*and"valuesofphotoniccrystalfilmswithdifferentcontentsofmk典水质S分数/%10：07：35:；53:；70:10tabtabtabtabttab,0-1.443.51-1.681.02-2.950.89-4.08-0.98-8.79-3.470.03-1.6313.99-2.112.72-3.083.26-6.94-1.40-12.21-3.48006-16820.52-2.18394-366349-700-1.48-1419-354009-2.1221.84-344414-4163.89-914-3.08-2036-4.22色差偏绿偏黄偏绿偏黄偏绿偏西偏绿偏蓝偏绿偏蓝注：比例均为m(S)：加(SB)C