中科院理化所Sci. Bull.：具有各向異性、非角度依賴顯色和多重偏振反射特點的微溝槽光子晶體的簡易制備

【引言】

世界因顏色而多彩，一般來說顏色可以分為兩類：色素色和結構色。色素色是由小分子發色基團吸收光所致；而結構色是由特殊周期性微觀結構與光的作用產生的。后者是一個純粹的物理過程，不涉及光能量的損耗。結構色材料因其顏色鮮艷、不易褪色以及低毒環保的特性，在眾多領域具有廣闊的應用前景。

但是，大部分人工制備的結構色材料的顯色是角度相關的，這限制了它在那些需要寬觀察視角領域的應用，比如傳感器、顯示設備等。而自然界中的許多有機生物體具有低角度依賴甚至是非角度依賴的結構色，研究人員發現這是由于它們具有非晶光子晶體、良好的微觀結構或者彎曲的表面等特征。研究者們做了大量的研究工作來模仿這些結構，以期實現通過人工方法來制備這種低角度依賴性的結構色材料。其中最受關注的方法是膠體顆粒自組裝，因為該方法相對簡單而且經濟適用。總的來說，利用膠體顆粒自組裝的方法制備低角度依賴的結構色材料，主要通過兩種途徑：降低光子晶體結構的有序性或者改變局部的幾何形狀。

【成果簡介】

近日，中科院理化所的宋愷研究員和龍玥助理研究員（共同通訊）等人，以具有周期性半圓結構的微溝槽（PSMG）為基板誘導組裝納米二氧化硅顆粒，制備出了具有各向異性、非角度依賴顯色的膠體光子晶體。由于樣品表面半圓形溝槽結構的存在，這種PSMG結構的光子晶體在垂直于凹槽軸向觀察的時候所表現出的顏色是非角度依賴的，而平行于凹槽軸向觀察時則是角度依賴性的。此外，這種PSMG結構的光子晶體還具有多重反射和偏振轉換的特性。相關成果以“Facile fabrication of micro-grooves based photonic crystals towards anisotropic angle-independent structural colors and polarized multiple reflections”為題，發表在5月12日的Science Bulletin上。

【圖文導讀】

圖1 利用半環結構制備聚苯乙烯（PS）模版流程圖

圖示為熱壓印過程。利用此方法，可以大規模的制備PS微溝槽模板，并且制備過程簡單。

圖2 PSMG PS模板的實物圖和SEM照片

（a）PSMG PS模板實物圖；

（b）PSMG PS模板實物的俯視圖；

（c）半圓溝槽橫截面的SEM照片；

（d）兩槽之間脊的SEM照片。

圖3 納米二氧化硅顆粒（平均直徑262 nm）制備的PSMG光子晶體截面SEM照片

（a）PSMG光子晶體整個溝槽的橫截面SEM照片；

（b）PSMG光子晶體溝槽底部的橫截面SEM照片；

（c）PSMG光子晶體溝槽中部的橫截面SEM照片；

（d）PSMG光子晶體溝槽頂部的橫截面SEM照片。

圖4 不同觀測角度下，PSMG光子晶體的圖片

第一行、第二行和第三行的PSMG光子晶體所用納米二氧化硅顆粒的平均直徑分別為293nm、262nm和241nm。?

圖5 不同角度下，納米二氧化硅顆粒（平均半徑262nm）制備的PSMG光子晶體的反射光譜

（a）探測器與溝槽軸方向垂直；

（b）探測器與溝槽軸方向平行；

圖6 PSMG光子晶體特性圖

（a）垂直入射光下，PSMG光子晶體的光學顯微鏡照片；

（b）溝槽及其在微觀圖片中相應顏色區域的反射光入射路線示意圖；

（c）光路中添加十字交叉偏振片拍攝的PSMG光子晶體的光學顯微鏡照片；

（d）PSMG光子晶體的微區光譜圖。

【小結】

本文利用簡易的自組裝方法和PSMG基底模板，制備了具有各向異性、非角度依賴的膠體光子晶體，該光子晶體在垂直于溝槽軸向時具有非角度依賴的結構色，而在平行于溝槽軸方向則是角度依賴的；并且這種獨特的表面結構使其具有顏色分離和多重偏振反射的特性，還可以通過調節納米二氧化硅顆粒的尺寸，對相應結構色進行調整。

文獻鏈接：Facile fabrication of micro-grooves based photonic crystals towards anisotropic angle-independent structural colors and polarized multiple reflections（Sci. Bull., 2017, DOI: 10.1016/j.scib.2017.05.015）

本文由材料人編輯部高分子小組熊文杰提供，材料牛編輯整理。

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