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第 5 期 寇玉胜，等: 基于聚合物的一维光子晶体研究进展 ·797·

射率差较大时，带与带之间有可能会出现类似于半 光子晶体制备中，可制备出具有多种功能的光子晶
导体禁带的“光子禁带”，能量落在“光子禁带”中的 体材料。另外，某些高分子材料本身柔韧性可以赋
电磁波被禁止传播，这一类材料就被称为光子禁带 予光子晶体材料柔性，拓宽应用领域，近年来相关
材料，或光子晶体 [1,4] 。当光子晶体带隙位于可见光 研究快速发展。基于聚合物材料的一维光子晶体在
范围内（380~760 nm）会展现出肉眼可见的颜色， 柔性传感器、柔性光电器件、光子晶体纸和电子皮
[5]
称为结构色 。根据光子禁带在空间方向上的分布 肤等领域具有良好的应用前景。
不同可将光子晶体分为一维、二维和三维光子晶体。 本文从组成一维光子晶体的两种材料类别出
一维光子晶体（One-Dimensional Photonic Crystal， 发，将其分为有机/有机型和有机/无机杂化型。其中，
简称 1DPC)，也称为布拉格反射镜、布拉格堆叠， 有机/有机型是指两种聚合物组装得到的具有层状
是由两种不同折射率介质在一个空间方向上交替堆 结构的一维光子晶体，而有机/无机杂化型指的是聚
叠形成的周期性多层结构，通过控制光在其中的传 合物与无机成膜材料形成的一维光子晶体。以下分
播，可获得某一光学波段的高反射率。其结构如图 别论述它们在材料组装、性能、应用等方面的研究
1 所示。其中，黑色和灰色区域分别表示两种不同 进展。
折射率材料，通过调节材料折射率、层厚及入射光
角度，特定波长的可见光会被有规律地反射。一维 2 有机/有机型一维光子晶体
光子晶体光子禁带位置（即反射峰位置）可通过布
拉格衍射公式来描述 [6-7] 。通过调控介质的折射率、 有机/有机型一维光子晶体是指完全基于高分
子材料构筑的多层膜结构，嵌段共聚物、单网络和
层厚、入射光角度可调节光子禁带（反射峰）位置。
双网络水凝胶、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯咔唑、
通过增大两种介质的折射率差或增加堆叠数，可增
醋酸纤维素等都有用于一维光子晶体制备的报道。
大反射峰强度，制备出色彩亮丽的一维光子晶体。
这类基于有机高分子构筑的一维光子晶体在各类可
自然界中某些动物的颜色就是基于布拉格衍射
[8]
原理产生的 。一个典型的例子是热带鱼的颜色， 视化传感（如机械力、温度、pH 和电传感）、光子
晶体纸、3D 打印彩色立体图形等方面均有研究。
它的鳞片上周期性堆叠的片晶可以实现对特定波长
2.1 基于嵌段共聚物自组装的一维光子晶体
光的反射。由于这些反射片晶是相互平行排列的，
近年来，嵌段共聚物在一维光子晶体的研究中
与空气形成交替排列的层加层结构，并且空气和热
带鱼的反射片层存在折射率差，因此构成了典型的 受到关注，这是因为嵌段共聚物在本体和在溶液中
具有自组装的能力，可形成多种纳米级别的微相结
一维光子晶体结构。当这些反射片晶的空间大小或
倾斜角度发生变化时，热带鱼鳞片就会发生快速的 构。嵌段共聚物是由两种或多种链段组成的线性聚
颜色变化 [9-10] 。 合物，其中最简单的是二嵌段共聚物，它是由两种
不同的非晶态聚合物链构成的。不同单体单元之间
的相互作用使得不同的链段单元之间相互排斥，而
相同的单体单元之间则容易聚集到一起，从而趋向
发生宏观相分离。但是两种不同链段之间的化学键
又将它们紧紧地相互连在一起，阻碍其宏观相分离

的发生。这两种作用的相互耦合，使得嵌段共聚物
图 1 一维光子晶体结构示意图 发生微观相分离，形成多样的有序纳米结构 [21] 。
Fig. 1 Schematic diagram of 1DPC
当嵌段共聚物中一种单体的体积分数为 35%~
一维光子晶体具有结构简单、反射率高等优势， 65%时，可通过相分离自组装成两种嵌段交替排列
在传感、光电材料、辐射屏蔽等领域受到广泛关注。 的规整的层加层结构，其厚度取决于很多因素，包
其制备可通过自组装 [11-12] 、旋涂 [13-14] 、化学气相沉 括嵌段共聚物单体的体积分数、嵌段组成及相对分
积 [15] 、全息光聚合 [16-17] 、共挤出 [18-19] 等方法实现。 子质量 [10, 22] 。基于这一原理，选择不同亲疏水单体
在早期的一维光子晶体研究中，多以单纯无机 构筑二嵌段共聚物，由于两部分嵌段分子结构不同，
材料组装为主，可以得到较高的反射率。且多以反 亲疏水性不同，其自组装形成的层加层结构在水溶
射镜或光学滤波器为主 [20] 。随着光子晶体的不断发 液中通过亲水层的溶胀调节层间折射率差和层厚，
展，基于聚合物材料制备的一维光子晶体受到广泛 调节光子禁带位置可产生结构色。其中，研究最多
关注。由于聚合物材料具有种类多样、成膜性好、 的是由苯乙烯和 2-乙烯基吡啶构筑的二嵌段共聚
易于官能化、柔韧性可调节的特点，将其引入一维 物 PS-b-P2VP 以及季胺化的 PS-b-QP2VP。这类嵌