Page 53 - 精细化工2019年第10期

第 10 期 常屏南，等: 形状记忆光子晶体对发光的可逆调控及图案化 ·2019·

中荧光染料的荧光寿命进行了表征。选取衰减曲线
的部分数据，得到了图 4 所示的荧光染料掺杂在光
子晶体体系（禁带位置在 495 nm）和非光子晶体体
系中的荧光寿命曲线，拟合得到荧光染料的荧光寿
命分别为 6.39、4.69 ns。在光子晶体带隙中心，由
于光子态密度达到极低值，自发辐射速率受到了抑
制，荧光寿命增长，光子停留在第一激发能级的时
间增长，宏观表现为荧光发射减弱。

图 2 荧光素掺杂质量分数分别为 0.050%、0.075%、
0.100%的 SMPCs 薄膜在光子晶体区域的荧光发射
相对强度（分别以非光子晶体区域的发射强度进行
归一化处理）（a）；不同荧光素染料掺杂质量分数
的 SMPCs 材料对自发辐射调制效果示意图（b）
Fig. 2 Relative intensity of fluorescence emission of SMPCs
films with fluorescence-doped mass percentage of
0.050%, 0.075% and 0.100% respectively in the
photonic crystal region (normalized by the intensity
of emission in the non-photonic crystal region) (a);
Schematic illustration of regulation effect on
spontaneous emission (b)

2.2.2 SMPCs 光子带隙对荧光调控
在光子晶体的带隙中心位置，电磁场的态密度
处于极小值，根据费米黄金规则，发光中心的自发
辐射速率正比于局域电磁场的态密度，故当荧光客
体的最大发射峰位置（ max ）与光子带隙中心完全
匹配时，光子晶体对自发辐射的调控作用应该最
强 [15] 。本文系统研究了两者不同匹配程度下光子晶
图 3 实验制备的反蛋白石 SMPCs 材料的光子带隙位置
体对发光客体自发辐射作用的调控效果，保持 max
恒定，制备了一系列光子带隙位置的 SMPCs 材料 及其与荧光素染料激发、发射光谱的对应关系（a）；
不同光子带隙位置的荧光染料掺杂 SMPCs 材料在
（图 3a），用体系内荧光客体发光强度的减小程度
光子晶体和非光子晶体区域的荧光发射光谱（b）
来表征光子晶体的调控效果。 Fig. 3 Reflection spectra of inverse opal SMPCs and
光子晶体的光子禁带位置可以通过 SiO 2 微球的 fluorescence emission spectra of fluorescein (a);
Fluorescence emission spectra of fluorescein doped
尺寸进行调控，由布拉格衍射方程可知，光子禁带
SMPCs with different photonic band gaps (b)
中心位置随着微球的周期常数增大而向长波方向移

动 [16-17] ，禁带位置可以通过反射光谱直接进行表征，
实验制备了带隙中心在 495~545 nm 的一系列反蛋
白石 SMPCs 材料。图 3b 是不同光子带隙位置的荧
光染料掺杂 SMPCs 材料在光子晶体和非光子晶体
区域的荧光发射光谱，研究发现，当光子带隙中心
向荧光染料的 max 逐渐靠近时，光子晶体对荧光染
料自发辐射的调控作用增强，当两者完全匹配时，
调控效果达到峰值，荧光发射强度减小了 83%，这
表明在光子带隙中心，荧光发射受到的抑制最为明

显，与前期的理论推测结论一致。
图 4 荧光素染料在反蛋白石 SMPCs 体系中和无光子晶
2.2.3 SMPCs 对荧光染料发光调控作用的机理
体体系中的荧光寿命曲线
过去的研究表明，光子晶体的特殊结构对发光 Fig. 4 Fluorescence lifetime curves of fluorescein dyes in
客体的自发辐射速率具有调制作用，本文对 SMPCs inverse opal SMPCs system and original system