光子晶体的制备及在传感器中的应用.pdf

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1、光子晶体的制备及在传感器中的应用王丰彦2015年1月中图分类号：O69UDC分类号：540光子晶体的制备及在传感器中的应用作者姓名王丰彦学院名称化工与环境学院指导教师孟子晖教授答辩委员会主席朱长进教授申请学位工学硕士学科专业化学工程与技术学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月Photoniccrystals:fabricationandapplicationinsensorsCandidateName：WangFengyanSchoolorDepartment:ChemicalEngineering&EnvironmentFacultyMentor:Prof.Men

2、gZihuiChair,ThesisCommittee：Prof.ZhuchangjinDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：ChemicalEngineering&TechnologyDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机

3、构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要光子晶体是一种新兴的功能材料，通过对光波的调制，光子晶体的光学禁带处于可见光波段，从而它的结构色能够被人眼观测到。当光子晶体与响应性材料结合后，在外界物理、化学刺激等的作用下会出现结构色的改变，这一特性使其广泛地应用于传感器中。本文分别制备了三种不同的响应性光子晶体，以拓展其在传感器中的应用。我们利用种子法制备了单分散的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）胶体小球，并通过尖端导流法，使其在空气和水的界面处进行自组装，形

4、成二维单层有序胶体阵列。我们进而将其应用于对内分泌干扰物对硝基酚（p-NP）的检测。实验结果表明，固载后的二维胶体阵列对p-NP的响应较弱。我们将三维PMMA胶体阵列模板包埋在可生物降解的纤维素中，制备了蛋白石型纤维素光子晶体膜，并将其用于对挥发性有机物的检测中。实验结果表明，该纤维素光子晶体膜对乙醇、正丙醇、异丙醇和正丁醇的液态、饱和蒸汽压下的气氛以及低浓度气氛有不同的响应，并且它的结构色由最初的蓝色变为绿色，为裸眼检测奠定了基础。而对于甲醛气体，当它的浓度为200ppm时，纤维素光子晶体膜的响应较弱；对于液态甲苯和丙酮，纤维素光子晶体膜的结构色由蓝色变为无色。与此同时，我们

5、初步探索了反蛋白石型纤维素光子晶体膜的制备。当以三维PMMA胶体阵列为模板时，丙酮、甲苯、氯仿以及氯仿与丙酮的混合溶剂（V/V，2/1）等无法将PMMA胶体小球完全刻蚀，导致形成的反蛋白石型光子晶体膜的反射峰强度很弱，还需要进一步的优化和研究。我们将光子晶体与纳米复合凝胶结合，分别制备了对拉力有响应的二维、三维纳米复合光子凝胶。随着拉力的增大，三维光子凝胶的结构色由原来的蓝色逐渐变成黄绿色、淡红色，覆盖了整个可见光范围；二维光子凝胶的德拜衍射环发生变形，由原来的圆变为椭圆，当施加的拉力足够大时，变成两条近似的平行线。关键词：光子晶体；传感器；纤维素；纳米复合凝胶I北京理工大学硕

6、士学位论文AbstractPhotoniccrystal(PC)canmanipulatethepropagationoflightasaninnovativefunctionalmaterial.Itsstructuralcolorisvisibletothenakedeyeswhenitsphotonicbandgap(PBG)islocatedinthevisible-lightregion.Therefore,PCincorporatedwithstimulus-responsivematerialsiswidelyusedinthesensorsystemsdueto

7、itscolorchangeswhilestimulatedbythecorrespondingexternalstimuli.Inthisstudy,threedifferentresponsivePCswerefabricatedtoexpandapplicationsinthefieldofsensors.Firstofall,wefabricatedmonodispersepolymethylmethacrylate(PMMA)colloidalmicrospheresinnanos