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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                                    ·803·


            附和重排）、空气剪切力和粘性力等                [54] 。该方法具有        合物侧基上同时含有亲水的酰胺基和疏水的异丙
            成膜时间短、操作量小、膜薄且均匀、膜厚易调节                             基，主链为疏水基团，酰胺基和水分子能形成氢键，
            等优点。                                               疏水基团间有疏水相互作用，因此存在氢键和疏水
            3.1   有机/无机材料组装的一维光子晶体                             作用间的竞争。当温度发生变化时，材料的亲疏水
                 基于有机/无机材料直接旋涂组装的柔性一维                          性会发生改变，同时伴随着材料体积及厚度的变化。
            光子晶体通常选用功能性的有机聚合物材料来实现                             Jeon 等采用旋涂的方法，将 PNIPAM 和掺有 ZrO 2
            其在各类可视化传感及超级电容器等方面的应用。                             的聚对甲基苯乙烯（PpMS）层层自组装，形成有机/
            其 中，聚 合物 层具有 较低 的折射 率（ 一般 在                        无机杂化一维光子晶体。在临界相转变温度附近，
            1.4~1.6 [55] ），因而将其作为低折射率层，另外选取                    由于 PNIPAM 层会发生亲水和疏水状态的变换，层
            折射率较高的无机材料（如，锐钛矿 TiO 2 理论折射                        厚发生改变，引起多层膜颜色变化，实现对温度的
            率 2.4 [14] ）作为高折射率层。由于二者折射率差大，                     响应  [55] 。如图 9a 所示，当温度由 20  ℃逐渐升高到
            较少的堆叠数可实现较高的反射率。有机聚合物材                             36  ℃时，薄膜由最初的红色逐渐变成绿色，最后变
            料赋予柔性膜特定的功能，如下文介绍的滑环弹性                             为蓝色。图 9b 是引入 ZrO 2  前后反射峰的对比，可
            体的抗拉伸性、聚 N-异丙基丙烯酰胺的温敏特性、                           以很清楚地看到，由于具有较高折射率的 ZrO 2 的引
            柔性金属有机框架材料（MOF）材料的呼吸效应及                            入使反射峰增强，即引入 ZrO 2 后增加了交替堆叠层
            聚（甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸丁酯）的溶剂蒸气敏感                            的折射率差，提高了反射率。
            性等可使光子晶体具有机械力、温度和有机蒸气响                                 对于某些金属有机框架材料（MOF），当其暴
            应性，在可视化传感方面具有较好的应用价值。另                             露于环境中的蒸气或者吸附其他气体分子时，体积
            外，基于聚苯胺和聚（N-异丙基丙烯酰胺-氧化石墨                           就会发生膨胀并且没有明显的化学键断裂，称为“呼
            烯-丙烯酸）制备的一维光子晶体在超级电容器领域                            吸效应”。基于上述原理，国防科技大学胡志红                      [57]
            也有良好的应用前景。                                         等人以 MOF（NH 2 -MIL-88B）作为低折射率层，以
                 日本东京大学 Howell      [56] 等将环糊精与聚乙二醇            二氧化钛作为高折射率层，在硅片上组装一维光子
            （PEG）在紫外光照条件下固化，制备出滑环弹性                            晶体。将其分别暴露于 N,N-二甲基甲酰胺、异丙醇、
            树脂。这种环糊精交联可以实现普通物理交联和化                             水、甲醇、丙酮和乙醇蒸气中时，MOF 层的体积会
            学交联所不能实现的应力分布，被称为滑环效应。                             发生不同程度的溶胀，进而引起 MOF 层厚增加和折
            这种材料具有低收缩、高反射、抗划伤、应力松弛、                            射率变化，对应的光子禁带位移量分别为 8.7、15.7、

            减少磁滞损耗等优点。以掺杂了质量分数 70%ZrO 2                        25.1、36.1、49.0 和 66.4 nm，产生结构色的变化，
                                                               实现可视化有机蒸气传感。
            的滑环弹性树脂为高折射率材料，以未掺杂 ZrO 2
            的该树脂作为低折射率材料，以硅片作为基底，在                                 大连理工大学马威        [58] 等利用改进微乳液法制备
            上面旋涂一层水溶性的聚乙烯醇（PVOH）作为牺                            聚（甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸丁酯）〔P(MMA-BA)〕
            牲层。然后通过先旋涂后光固化的方法制备了 6 个                           纳米粒子，将其作为低折射率材料（折射率 1.49），
            堆叠的机械力响应性薄膜。最后将 PVOH 溶解得到                          以 TiO 2 为高折射率材料，在低表面能的聚丙烯板上
            柔性自支撑膜。该膜材料在受拉伸时，厚度减小，                             交替堆叠制备具有孔隙结构和结构色特性的 P(MMA-
            反射峰逐渐蓝移引起材料颜色变化。如图 8a 所示，                          BA)/TiO 2 光子晶体。然后，将 PDMS 前驱体部分填
            在外力作用下，一维光子晶体拉伸应变由 0 逐渐增                           充到光子晶体空隙中，高温固化后，通过剥离即可
            大至 42%，反射峰由红色区域蓝移至蓝色区域。图                           得到具有柔性的光子晶体膜，该柔性膜在不同溶剂
            8b 对应着拉力增加时，薄膜数码照片颜色的变化。                           蒸气中显示不同的颜色。不同溶剂蒸气进入 1DPC
            当拉伸应变由 0 逐渐增大至 40%，多层膜由红色变                         孔道中，有机层发生溶胀，引起折射率和厚度的改
            为绿色最后变为蓝色。上述制备的柔性一维光子晶                             变，结构色因此改变，达到可视化蒸气传感的目的。
            体具有很高的机械力变色敏感性（Δλ/Δε max），最大为                          聚苯胺（PANI）具有低成本、易合成、高电容
            −6.05 nm/%，即平均拉伸应变每增加 1%时，反射峰                      等优点被视为最有前景的活性电极材料，其在超级
            波长蓝移 6.05 nm。经过 100 次的循环拉伸实验，证明                    电容器方面有很高的应用价值              [59] 。东南大学葛丽芹
            此膜材料具有优异的重复使用性和颜色变化可逆性。                            课题组   [60] 以硅片为基底，引入聚乙烯醇（PVOH）
                 在有机/有机型一维光子晶体中曾提到，聚 N-                        作为牺牲层，采用介孔 PANI 和聚（N-异丙基丙烯
            异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）是一种温度敏感高分                           酰胺-氧化石墨烯-丙烯酸）为组装材料，通过旋涂
            子材料。它的最低临界温度（LCST）为 32  ℃。聚                        构筑一维光子晶体，再在表面覆盖一层掺有炭黑的
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