中科院理化所Sci. Bull.：具有各向异性、非角度依赖显色和多重偏振反射特点的微沟槽光子晶体的简易制备

【引言】

世界因颜色而多彩，一般来说颜色可以分为两类：色素色和结构色。色素色是由小分子发色基团吸收光所致；而结构色是由特殊周期性微观结构与光的作用产生的。后者是一个纯粹的物理过程，不涉及光能量的损耗。结构色材料因其颜色鲜艳、不易褪色以及低毒环保的特性，在众多领域具有广阔的应用前景。

但是，大部分人工制备的结构色材料的显色是角度相关的，这限制了它在那些需要宽观察视角领域的应用，比如传感器、显示设备等。而自然界中的许多有机生物体具有低角度依赖甚至是非角度依赖的结构色，研究人员发现这是由于它们具有非晶光子晶体、良好的微观结构或者弯曲的表面等特征。研究者们做了大量的研究工作来模仿这些结构，以期实现通过人工方法来制备这种低角度依赖性的结构色材料。其中最受关注的方法是胶体颗粒自组装，因为该方法相对简单而且经济适用。总的来说，利用胶体颗粒自组装的方法制备低角度依赖的结构色材料，主要通过两种途径：降低光子晶体结构的有序性或者改变局部的几何形状。

【成果简介】

近日，中科院理化所的宋恺研究员和龙玥助理研究员（共同通讯）等人，以具有周期性半圆结构的微沟槽（PSMG）为基板诱导组装纳米二氧化硅颗粒，制备出了具有各向异性、非角度依赖显色的胶体光子晶体。由于样品表面半圆形沟槽结构的存在，这种PSMG结构的光子晶体在垂直于凹槽轴向观察的时候所表现出的颜色是非角度依赖的，而平行于凹槽轴向观察时则是角度依赖性的。此外，这种PSMG结构的光子晶体还具有多重反射和偏振转换的特性。相关成果以“Facile fabrication of micro-grooves based photonic crystals towards anisotropic angle-independent structural colors and polarized multiple reflections”为题，发表在5月12日的Science Bulletin上。

【图文导读】

图1 利用半环结构制备聚苯乙烯（PS）模版流程图

图示为热压印过程。利用此方法，可以大规模的制备PS微沟槽模板，并且制备过程简单。

图2 PSMG PS模板的实物图和SEM照片

（a）PSMG PS模板实物图；

（b）PSMG PS模板实物的俯视图；

（c）半圆沟槽横截面的SEM照片；

（d）两槽之间脊的SEM照片。

图3 纳米二氧化硅颗粒（平均直径262 nm）制备的PSMG光子晶体截面SEM照片

（a）PSMG光子晶体整个沟槽的横截面SEM照片；

（b）PSMG光子晶体沟槽底部的横截面SEM照片；

（c）PSMG光子晶体沟槽中部的横截面SEM照片；

（d）PSMG光子晶体沟槽顶部的横截面SEM照片。

图4 不同观测角度下，PSMG光子晶体的图片

第一行、第二行和第三行的PSMG光子晶体所用纳米二氧化硅颗粒的平均直径分别为293nm、262nm和241nm。 

图5 不同角度下，纳米二氧化硅颗粒（平均半径262nm）制备的PSMG光子晶体的反射光谱

（a）探测器与沟槽轴方向垂直；

（b）探测器与沟槽轴方向平行；

图6 PSMG光子晶体特性图

（a）垂直入射光下，PSMG光子晶体的光学显微镜照片；

（b）沟槽及其在微观图片中相应颜色区域的反射光入射路线示意图；

（c）光路中添加十字交叉偏振片拍摄的PSMG光子晶体的光学显微镜照片；

（d）PSMG光子晶体的微区光谱图。

【小结】

本文利用简易的自组装方法和PSMG基底模板，制备了具有各向异性、非角度依赖的胶体光子晶体，该光子晶体在垂直于沟槽轴向时具有非角度依赖的结构色，而在平行于沟槽轴方向则是角度依赖的；并且这种独特的表面结构使其具有颜色分离和多重偏振反射的特性，还可以通过调节纳米二氧化硅颗粒的尺寸，对相应结构色进行调整。

文献链接：Facile fabrication of micro-grooves based photonic crystals towards anisotropic angle-independent structural colors and polarized multiple reflections（Sci. Bull., 2017, DOI: 10.1016/j.scib.2017.05.015）

本文由材料人编辑部高分子小组熊文杰提供，材料牛编辑整理。

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