磁/电场诱导复合胶体光子晶体的结构调控及其磁/电响应性能研究

传统的胶体光子晶体普遍存在制备周期长、响应速度慢、光子带隙调整范围窄等问题，而目前单纯使用磁场或电场进行带隙调控的晶态胶体阵列虽能一定程度上克服上述问题，但单独使用时不能同时满足大范围快速调控和局部微小区域精确调控的要求。为此，本项目提出并设计一类同时具有磁场、电场双重响应特性的新型胶体晶体。通过对胶体粒子结构的调控、裁剪及表面修饰，探索具有磁/电双重响应特性的复合胶体晶体的可控制备途径；通过对外加磁、电场情况下胶体微观结构和动态响应特性的研究，揭示外场作用下胶体粒子的自组装规律，阐明外场调控变色行为的微观机制，实现光子带隙的磁、电场大范围动态精确调控。本项目研究结果将丰富人们对胶体粒子在外场作用下自组装行为规律的认识；同时开发出的具有独立知识产权的新型磁/电场双重可控的胶体晶体，将为微机械系统、光传感器、光开关、彩色显示等元件的开发提供新的思路和平台，具有重要的理论意义和工程应用前景。

探索具有磁/电双重响应特性的复合胶体粒子的可控制备途径，实现胶体光子带隙的磁、电场大范围动态调控，是当前光子晶体领域的研究热点和本项目要解决的主要课题。本项目从理论模拟和实验研究两个方面入手，从胶体粒子的设计合成、形貌调控、表面改性、胶体粒子的磁/电场响应和组装行为以及胶体光子带隙的调控和变化规律等多个角度进行了深入研究，取得了一系列重要研究结果。理论模拟发现，光子带隙除了和胶体粒子本身的尺寸、介电常数密切相关外，还依赖于粒子的形貌及结构形式；Fe3O4胶体光子晶体中当Fe3O4球直径达到130 nm之后，晶格常量为200 nm~250 nm时，在可见光区产生明显的光子带隙特征；Fe3O4/TiO2核壳结构胶体光子晶体中高介电TiO2材料的存在使光子带隙特征更为显著，随着介电常数的增大，阻带红移、带宽增大； 空心Fe3O4/C胶体光子晶体中C层厚度为10 nm ~ 25 nm，Fe3O4团簇层厚度为40 nm ~ 80 nm时有利于产生均匀阻带。实验研究方面，采用多种化学合成手段成功制备了球形、棒状、笼状、链状、环状、空心球状等多种形貌特征和复合结构的磁性胶体粒子，并对其相应的物理、化学性质进行了系统研究。结果发现，以乳液聚合法制备的Fe3O4@PS胶体粒子、以PVP辅助水热法制备的Fe3O4@PVP胶体粒子以及以聚丙烯酸钠辅助水热法制备的空心Fe3O4胶体粒子在外加磁场作用下均呈现出明显的可调谐光子带隙特征；经SiO2包覆并表面电荷修饰后，依赖粒子间的空间位阻及静电排斥作用，胶体粒子呈现磁场、电场双重响应特性，并在磁/电场作用下实现了光子带隙的快速动态精确调控；同时，将胶体粒子与透明大孔水凝胶以及热固胶等的复合，获得了结构色可大范围动态调控的柔性固态膜材料，为该类材料的工程化应用提供了极大地可能。上述研究达到了项目的预期研究目标，研究结果将丰富人们对磁性胶体粒子可控制备以及在外场作用下行为规律的认识；同时开发出的新型磁/电场双重可控的胶体晶体，在光传感器、光开关、彩色显示、军事伪装等领域的研究和产品开发，具有重要的理论意义和工程应用前景。