大自然為生物提供了絢麗多樣的顏色。色素,染料和結(jié)構(gòu)色是大自然用來(lái)構(gòu)筑其多彩的“萬(wàn)花筒”最普遍的幾種方式。結(jié)構(gòu)色是由周期性排布的有序結(jié)構(gòu)調(diào)控光的衍射和反射實(shí)現(xiàn)的,這種產(chǎn)生顏色的方式往往更加穩(wěn)定有效。光子晶體由形狀規(guī)則、不同介電常數(shù)的透明材料周期排布形成,由于結(jié)構(gòu)的存在使得本身無(wú)色的材料被賦予明亮的結(jié)構(gòu)色。一維光子晶體作為結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的光子晶體的代表之一,其周期性變化只存在于單一維度上。光子禁帶是一維光子晶體的特征光學(xué)性質(zhì),能夠反射特定波長(zhǎng)內(nèi)的光,使其不能通過(guò)結(jié)構(gòu)傳播,禁帶位置可以通過(guò)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。一維光子晶體對(duì)光的調(diào)節(jié)是其固有屬性,借助一維光子晶體這種性質(zhì)可以對(duì)材料的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行有效調(diào)控。近年來(lái),包括一維光子晶體在內(nèi)的微納圖案化復(fù)合膜的內(nèi)涵和應(yīng)用廣度在不斷拓寬。基于納米材料優(yōu)異的熒光,磁性,光熱和催化性質(zhì),研究工作者成功制備了摻雜半導(dǎo)體、金屬、金屬氧化物納米粒子和碳點(diǎn)等的微納尺度圖案化復(fù)合膜并將其用于光電領(lǐng)域。本論文中,我們首先對(duì)雜化一維光子晶體中的聚合物組分進(jìn)行設(shè)計(jì),賦予其電荷響應(yīng)性質(zhì),實(shí)現(xiàn)了對(duì)聚電解質(zhì)和蛋白質(zhì)的無(wú)標(biāo)可視檢測(cè)。隨后為了豐富一維光子晶體的功能,我們向聚合物雜化一維光子晶體中引入了一系列功能性納米粒子(如硒化鉻、碳點(diǎn)等),利用一維光子晶體的光學(xué)特性,實(shí)現(xiàn)了對(duì)微納圖案化復(fù)合膜的光學(xué)性質(zhì)(如熒光強(qiáng)度、發(fā)射峰位和半峰寬等)的調(diào)控,為一維光子晶體在熒光控制器和發(fā)光二極管等光電領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。拓展了一維光子晶體的應(yīng)用場(chǎng)景。在第二章中,我們通過(guò)交替旋涂聚電解質(zhì)與二氧化鈦前驅(qū)體溶液,構(gòu)筑了一種對(duì)電荷響應(yīng)的光子晶體結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了對(duì)帶電物質(zhì)的可視、無(wú)標(biāo)檢測(cè)。首先,通過(guò)對(duì)質(zhì)子化后的一維光子晶體在各種聚電解質(zhì)溶液中的反射光譜和光學(xué)圖像進(jìn)行表征,實(shí)現(xiàn)了對(duì)聚電解質(zhì)的種類,濃度和分子量的區(qū)分。對(duì)于天然生物帶電材料,通過(guò)預(yù)先調(diào)節(jié)溶液的pH值達(dá)到對(duì)不同種類蛋白質(zhì)區(qū)分的目的。以甲胎蛋白這種生物癌癥標(biāo)志物作為模型,該結(jié)構(gòu)對(duì)其可視、無(wú)標(biāo)檢測(cè)的靈敏度可滿足臨床要求。該一維光子晶體為肉眼監(jiān)測(cè)健康狀況提供了一種通用、直觀、方便的方法。在第三章中,我們?cè)谑⒒變蓚?cè)分別制備一維光子晶體和摻雜硒化鎘量子點(diǎn)的雜化聚合物薄膜,構(gòu)筑熒光控制器。這種獨(dú)立的結(jié)構(gòu)拓寬了組成材料的選擇范圍。當(dāng)光源從器件的不同側(cè)面入射時(shí),成功地實(shí)現(xiàn)了基于同一結(jié)構(gòu)的熒光增強(qiáng)和減弱效果。此外,由于我們使用的是pH響應(yīng)性聚合物,熒光強(qiáng)度可以通過(guò)改變環(huán)境pH值進(jìn)行多級(jí)、可逆地調(diào)節(jié)。同時(shí),我們利用時(shí)域有限差分仿真(FDTD)分析了對(duì)熒光強(qiáng)度調(diào)控的機(jī)理。最后,通過(guò)改變初始禁帶的位置,一定程度上調(diào)節(jié)了熒光發(fā)射光譜的峰位和半峰寬。因此,我們通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)和材料組成構(gòu)筑了普適的多功能熒光控制器。在第四章中,我們?cè)僖淮握{(diào)變結(jié)構(gòu)和材料,構(gòu)筑了具有中心缺陷層的一維光子晶體結(jié)構(gòu)。共振腔的存在對(duì)其中摻雜的碳點(diǎn)熒光起到窄化和增強(qiáng)的作用。首先,我們對(duì)碳點(diǎn)復(fù)合膜和一維光子晶體的形貌和基本光學(xué)性質(zhì)分別進(jìn)行表征。隨后,將光子通帶與熒光發(fā)射光譜重合,實(shí)現(xiàn)了對(duì)碳點(diǎn)寬譜熒光的窄化,并對(duì)機(jī)理進(jìn)行模擬分析。進(jìn)一步,我們?cè)谘芯苛私Y(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)碳點(diǎn)發(fā)光窄化與峰位調(diào)節(jié)作用的基礎(chǔ)上,將摻雜碳點(diǎn)的不同周期的一維光子晶體作為顏色轉(zhuǎn)換層,基于同一碳點(diǎn)構(gòu)筑了多色窄發(fā)射的發(fā)光二極管(LED)器件。與傳統(tǒng)的彩色濾光片不同的是,光子通帶在窄化熒光的同時(shí)提高了熒光強(qiáng)度。我們創(chuàng)新地利用一維光子晶體窄化了碳點(diǎn)熒光的半峰寬,促進(jìn)了一維光子晶體在光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O734
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    第一節(jié) 雜化有序微納結(jié)構(gòu)概述
        1.1.1 基于生物模板的有序微納結(jié)構(gòu)
        1.1.2 基于光子晶體的有序微納結(jié)構(gòu)
            1.1.2.1 光子晶體
            1.1.2.2 光子晶體衍生結(jié)構(gòu)
    第二節(jié) 一維光子晶體概述
        1.2.1 一維光子晶體的基本原理
        1.2.2 一維光子晶體的材料選擇
        1.2.3 一維光子晶體的制備方法
    第三節(jié) 一維光子晶體的光學(xué)應(yīng)用
        1.3.1 結(jié)構(gòu)色的應(yīng)用
            1.3.1.1 光學(xué)傳感與檢測(cè)
            1.3.1.2 光子紙與防偽
        1.3.2 光調(diào)控的應(yīng)用
            1.3.2.1 熒光調(diào)控
            1.3.2.2 減反射
            1.3.2.3 紫外保護(hù)
    第四節(jié) 本論文設(shè)計(jì)思路
第二章 無(wú)機(jī)/聚電解質(zhì)雜化一維光子晶體的制備及其在蛋白質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用
    第一節(jié) 前言
    第二節(jié) 實(shí)驗(yàn)部分
        2.2.1 實(shí)驗(yàn)原料
        2.2.2 聚電解質(zhì)響應(yīng)的一維光子晶體的制備
        2.2.3 可視檢測(cè)的測(cè)試方法
        2.2.4 表征儀器
    第三節(jié) 結(jié)果與討論
        2.3.1 傳感器的結(jié)構(gòu)和響應(yīng)過(guò)程
        2.3.2 聚電解質(zhì)的定性定量分析
        2.3.3 對(duì)蛋白質(zhì)的檢測(cè)
    第四節(jié) 本章小結(jié)
第三章 基于一維光子晶體的多功能可逆熒光控制器
    第一節(jié) 引言
    第二節(jié) 實(shí)驗(yàn)部分
        3.2.1 實(shí)驗(yàn)原料
        3.2.2 硒化鎘量子點(diǎn)的制備
        3.2.3 pH緩沖溶液的配制
        3.2.4 表征儀器
    第三節(jié) 結(jié)果與討論
        3.3.1 熒光控制器的制備
        3.3.2 硒化鎘量子點(diǎn)摻雜聚合物膜層的穩(wěn)定性表征
        3.3.3 一維光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)光學(xué)性質(zhì)的影響
        3.3.4 一維光子晶體的p H響應(yīng)行為
        3.3.5 熒光控制器對(duì)熒光的調(diào)節(jié)效果
    第四節(jié) 本章小結(jié)
第四章 一維光子晶體調(diào)控碳點(diǎn)熒光在LED中的應(yīng)用
    第一節(jié) 引言
    第二節(jié) 實(shí)驗(yàn)部分
        4.2.1 實(shí)驗(yàn)原料
        4.2.2 高熒光材料的制備
        4.2.3 一維光子晶體的制備
        4.2.4 發(fā)光二極管器件制備
        4.2.5 表征儀器
    第三節(jié) 結(jié)果與討論
        4.3.1 熒光碳納米點(diǎn)的表征
        4.3.2 制備碳點(diǎn)摻雜一維光子晶體
        4.3.3 一維光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化
        4.3.4 利用光子晶體結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)碳點(diǎn)熒光
        4.3.5 制備彩色的發(fā)光二極管器件
        4.3.6 調(diào)控?zé)晒獾臋C(jī)理研究
    第四節(jié) 本章小結(jié)
結(jié)論與展望
參考文獻(xiàn)
作者簡(jiǎn)介
攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文
致謝

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