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《江南大学》 2018年
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基于Fe_3O_4@C磁性复合纳米粒子快速自组装制备三维光子晶体及其应用研究

李梦  
【摘要】:基于磁性复合纳米粒子(MCNPs)自组装制备光子晶体是一种经典的光子晶体制备技术。MCNPs具有粒径小、磁性质特殊、表面易修饰等特点而适合作为光子晶体的构筑单元。光子晶体作为一种具有光子禁带的周期性电介质材料,具有独特的光学衍射行为和结构色特征,被广泛应用于诸多领域。因此,如何利用MCNPs快速自组装制备光子晶体并将其推向实际应用一直是人们研究的焦点。本文旨在合成MCNPs的基础上,探索一种有效的快速自组装手段构筑光子晶体结构,制备功能性光子晶体材料,并将其推向光学薄膜与传感器等实际应用领域。主要内容归纳如下:(1)利用溶剂热合成法制备了单分散的核壳结构碳包覆四氧化三铁磁性复合纳米粒子(Fe_3O_4@C MCNPs),探究了反应温度和过氧化氢(H_2O_2)浓度对粒子尺寸、形貌的影响。实验发现,H_2O_2浓度主要影响粒子的壳层厚度和表面电荷量,随着H_2O_2浓度的增加,粒子壳层厚度减小,表面电荷量下降;反应温度主要与粒子粒径大小相关,粒子粒径随反应温度的升高而增大,控制反应温度为180-200℃,可制备得到平均粒径在201-261 nm之间的单分散Fe_3O_4@C MCNPs。合成过程中,弱铁磁性的Fe_3O_4@C MCNPs在粒子间的磁吸引力和静电排斥力共同作用下排列形成永久性纳米链结构,分散于溶剂中形成光子晶体胶体溶液,通过改变外磁场强度或者入射光角度,这种光子晶体胶体溶液能够呈现出覆盖整个可见光区域的鲜艳颜色。(2)利用蒸发诱导自组装法,基于Fe_3O_4@C MCNPs快速自组装制备了Fe_3O_4@C固态三维光子晶体,探究了自组装过程的沉积条件对光子晶体结构的影响。实验发现,沉积温度、分散液浓度和溶剂种类等沉积条件对光子晶体结构具有显著影响,通过单因素实验确定最佳沉积条件为:沉积温度90℃,分散液浓度1.88 mg/mL,溶剂去离子水。最佳沉积条件下制备的光子晶体具有规整的结构、明亮的结构色和明显的金属光泽,自组装时间仅需2.25 h。自组装过程中,粒子分散液中的一维纳米链在粒子间的毛细作用力和磁相互作用力共同作用下快速堆叠形成规整的固态三维光子晶体结构,其结构色主要与粒子分散液中的纳米链间距相关,以粒径为201 nm、230 nm和261 nm的Fe_3O_4@C MCNPs构筑的Fe_3O_4@C固态三维光子晶体分别呈现绿色、黄色和红色。(3)分别选择壳聚糖(CS)、聚乙烯醇(PVA)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为成膜剂,利用蒸发诱导Fe_3O_4@C MCNPs自组装制备了不同组成的光子晶体薄膜,探究了最佳成膜条件。实验发现,固定Fe_3O_4@C MCNPs用量为0.015 g时,0.4wt‰CS体系可制备效果最佳的Fe_3O_4@C/CS光子晶体薄膜;体积比4/4、4.5/3.5和5/3的乙醇(丙酮)/3wt‰PVA水溶液复配体系可制备效果最佳的Fe_3O_4@C/PVA光子晶体薄膜;MMA加入量为500μL/4.9 cm~2原位聚合可制备效果最佳的Fe_3O_4@C/PMMA光子晶体薄膜,这些光子晶体薄膜都具有明亮的结构色和明显的金属光泽。(4)利用热引发聚合法,以Fe_3O_4@C MCNPs为构筑单元,丙烯酰胺为单体,N,N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂,过硫酸铵为热引发剂,制备了聚丙烯酰胺基光子晶体凝胶,分别探究了凝胶对于压力、湿度和甲醛气体等外界刺激的响应性。实验发现,聚丙烯酰胺基光子晶体凝胶能够以自身颜色变化的方式对上述外界刺激产生明显响应,响应过程具备肉眼可见、辨识度高、响应可逆等特点。这些特性使得光子晶体凝胶被应用为基于颜色变化的压力传感器、湿度传感器和甲醛传感器,实现可视化传感检测。
【学位授予单位】:江南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TB383.1;O734

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