光子晶体结构色简介及研究进展

研究与技术丝绸JOURNAL OF SILK光子晶体结构生色真丝织物的制备及应用研究Study on the preparation and application of structural colored silk fabrics based on photonic crystals向娇娇1,马万彬1,金梦婷1,张耘箫1,周㊀岚1,3,邵建中1,刘国金1,柴丽琴1,2(1.浙江理工大学纺织科学与工程学院(国际丝绸学院),杭州310018;2.淄博大染坊丝绸集团有限公司,山东淄博255300;3.浙江省现代纺织技术创新中心,浙江绍兴312000)摘要:为实现真丝织物的结构生色,文章分别利用真空辅助过滤法和手绘法在白色真丝织物上构筑光子晶体结构㊂进一步探究真空辅助过滤法中微球组装液体积浓度对结构色的影响规律,分析微球在真丝织物上形成光子晶体运动机制,讨论真丝织物上光子晶体结构色的虹彩效应,并探究手绘法在真丝织物光子晶体结构生色中的应用效果㊂结果表明:真空辅助过滤法中聚(苯乙烯甲基丙烯酸),即P (St-MAA )微球组装液的体积浓度为2.4L /m 2时,真丝织物的两面能同时获得光子晶体结构色,此时正反面结构色的反射率峰值在18%左右;在真空辅助过滤法中,P (St-MAA )微球在真丝织物上形成光子晶体结构的过程遵循 先反后正 堆积原则,即织物反面先形成光子晶体,随后微球进一步透过织物堆积在正面㊂此外,该光子晶体结构生色真丝织物的虹彩效应不明显,与常规染料或颜料着色效果接近;手绘法可以获得图案化的光子晶体生色结构,较适合于个性化加工㊂该研究为光子晶体结构生色在真丝织物着色中的应用提供参考㊂关键词:真丝织物;光子晶体;结构生色;真空辅助过滤法;手绘法中图分类号:TS 193.57㊀㊀㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀㊀㊀文章编号:10017003(2024)05003208DOI :10.3969/j.issn.1001-7003.2024.05.005收稿日期:20230920;修回日期:20240328基金项目:国家自然科学基金项目(52003242);中国博士后科学基金资助项目(2023M 744122);山东省 博新计划 项目(SDBX 2023084)作者简介:向娇娇(1998),女,硕士研究生,研究方向为光子晶体结构色㊁纺织品后整理㊂通信作者:柴丽琴,实验师,博士,chailiqin 0101@ ㊂㊀㊀光子晶体是一类由不同介电常数的材料周期性排列组成的纳米微结构,具有光子带隙,能够与光发生衍射作用产生明亮的结构色[1-3]㊂相比于传统的化学染色,光子晶体结构色绿色环保,在纺织品着色领域具有巨大的应用价值[4-5]㊂以胶体微球为光子晶体结构的构筑基元,利用自组装技术在纺织基材上构筑光子晶体,并实现纺织品着色的研究屡见不鲜,尤其以重力沉降㊁垂直沉积等浸渍法为代表[6-8]㊂如柳浩等[9]利用浸渍提拉法在碳纤维/涤纶混纺纱线上制备出颜色鲜艳的光子晶体结构色;Zhang 等[10]通过单分散SiO 2微球的垂直沉积自组装成功在涤纶织物上获得了结构色㊂然而,浸渍法存在效率低㊁能耗高㊁对设备要求高等弊端㊂为此,亟待开发在纺织品上快速构筑光子晶体生色结构的方法㊂真空辅助过滤法具有操作简单㊁对设备要求低㊁制备流程短㊁易于控制等显著特点,这种方法在纺织品着色领域具有广阔的应用前景[11-13]㊂基于此,本文通过抽真空时形成的负压实现胶体微球与分散介质的分离,使胶体微球快速在纺织品表面堆积形成光子晶体结构㊂然而,胶体微球在真空辅助过滤条件下在纺织基材上形成光子晶体的工艺条件及成型机制还未被提及和研究㊂而通过优化工艺条件和探究制备过程是深入分析真空辅助过滤法在纺织基材上构筑光子晶体生色结构的关键,因此,该过程为真空辅助过滤法制备光子晶体结构生色棉织物提供了可行性㊂图案化结构色在显示器㊁防伪㊁纺织品等领域具有广泛的应用前景[14-15]㊂目前喷墨打印技术㊁喷涂法等在制备图案化结构色方面具有显著的优势,但要求设备精细且制备工序复杂[16-18]㊂受素描㊁绘画等图案化染色方式的启发,本文提出以胶体微球组装液为介质,通过手绘法在纺织基材表面快速构筑光子晶体实现图案化结构色效果㊂手绘法不仅简便易操作,还可根据需求进行个性化和批量化设计,为光子晶体结构色的图案化提供了策略支撑[19]㊂本文以胶体微球结构生色组装液为媒介,通过真空辅助过滤法和手绘法在真丝织物上快速构筑光子晶体生色结构㊂优化真空辅助过滤法中微球组装液的用量,探究真空辅助过滤法中P (St-MAA )胶体微球在真丝织物上的成型机制,并对比分析真空辅助过滤法和手绘法间的异同性㊂以期为光子晶23第61卷㊀第5期光子晶体结构生色真丝织物的制备及应用研究体结构生色在纺织品着色中的应用提供实践基础㊂1㊀材料与方法1.1㊀材料与仪器主要材料:平均粒径180~350nm的单分散P(St-MAA)胶体微球(实验室自制),黑色㊁工业级酸性染料(湖北信康医药化工有限公司),分析纯乙醇(上海麦克林生化科技有限公司),电导率18MΩ/cm去离子水(实验室自制),平均孔径0.1μm的亲水聚四氟乙烯(PTFE)过滤膜(龙津膜业科技有限公司),白色㊁平纹组织㊁平方米质量88.8g/m2的真丝织物(淄博大染坊丝绸集团有限公司),毛笔(晨光文具店)㊂主要仪器:SHB-Ⅲ型循环水式多用真空泵(杭州惠创仪器设备有限公司),TG18G型台式高速离心机(盐城市凯特实验仪器有限公司),ULTRA55型场发射扫描电子显微镜(FESEM)(德国蔡司公司),MA98型多角度分光光度仪(美国X-Rite公司),Lambda900型紫外可见分光光度仪(美国珀金埃尔默公司),KH-7700型三维(3D)视频显微镜(日本浩视有限公司),Mate Pro30型华为手机(中国华为技术有限公司)㊂1.2㊀方㊀法1.2.1㊀P(St-MAA)胶体微球组装液的配制将实验室自制的P(St-MAA)胶体微球乳液[20]经乙醇和去离子水多次离心清洗(离心速率10000r/min,时间30min),去除上清液后得到白色湿态产物,随后将湿态产物与去离子水共混得到浓度为10%(以质量分数计)的P(St-MAA)胶体微球预组装液㊂以预组装液为主体,向其中选择性加入一定量的黑色染料(1%~9%)作为辅助剂,搅拌均匀后获得P(St-MAA)胶体微球组装液㊂1.2.2㊀光子晶体结构生色真丝织物的制备1)真空辅助过滤法㊂采用真空辅助过滤法制备光子晶体结构生色真丝织物,如图1所示㊂由图1可以看出,将亲水PTFE过滤膜㊁真丝织物依次放置在砂芯过滤器上,随后使用夹子固定抽滤杯与砂芯过滤器㊂向抽滤杯中倒入一定量的P(St-MAA)胶体微球组装液,并开启真空泵,保持真空压力在0.06~0.07MPa㊂当抽滤杯中没有P(St-MAA)胶体微球组装液时,将真丝织物从砂芯过滤器上取出,于70~80ħ烘箱中干燥,得到具有光子晶体生色结构的真丝织物㊂本文将真丝织物与过滤膜接触的一面称为 反面 ,另一面称为 正面㊂图1㊀光子晶体结构生色真丝织的制备流程示意Fig.1㊀Schematic diagram of the preparation process of structural colored silk fabrics based on photonic crystals㊀㊀2)手绘法㊂以1.2.1中的P(St-MAA)胶体微球组装液为结构生色颜料,利用毛笔在白色真丝织物上绘制各种图案,经70~80ħ烘箱干燥后取出,即可在真丝织物上获得图案化的光子晶体㊂1.3㊀测试与表征1.3.1㊀真丝织物表面光子晶体排列观测采用FESEM观察形成光子晶体结构前后真丝织物的形貌,测试时剪取一小部分负载P(St-MAA)胶体微球的真丝织物,贴于电镜样台,经过中空镀金仪镀金后,使用FESEM观察P(St-MAA)胶体微球在真丝织物上的排列状态㊂镀金仪工作电流为20mA,镀金时间为80s㊂FESEM测试时工作电压为1.5kV㊂1.3.2㊀真丝织物表面光子晶体结构色的呈色效果测试采用数码相机和KH-7700型三维(3D)视频显微镜观察真丝织物上光子晶体结构色的明亮性和均匀性㊂采用Lambda900型紫外可见分光光度仪测试结构色的反射率曲线㊂采用MA98型多角度分光光度仪测试真丝织物表面光子晶体结构色的虹彩效应㊂2㊀结果与分析2.1㊀真空辅助过滤用组装液体积浓度的优化真空辅助过滤组装过程中,组装液体积浓度是影响真丝织物上光子晶体结构色成型的重要因素㊂图2为不同组装液体积浓度下P(St-MAA)胶体微球在真丝织物上排列的33Vol.61㊀No.5Study on the preparation and application of structural colored silk fabrics based on photonic crystalsFESEM 图像,其中组装液所能覆盖的面积为半径2cm 的圆形真丝织物,P (St-MAA )胶体微球的粒径为223nm ㊂由图2(a ~c )可以看出,当组装液体积浓度为0.4~1.6L /m 2(组装液体积与织物面积的占比)时,P (St-MAA )胶体微球分布凌乱,难以完全覆盖纤维,无法构筑大面积的光子晶体结构;随着组装液体积浓度的增加(2.4~4.0L /m 2),胶体微球完全覆盖真丝织物正反两面,且微球在局部范围分布有序,这主要是因为真空辅助过滤过程中,小部分P (St-MAA )胶体微球依靠自身的静电相互作用聚集成块,形成 小有序体 ,在大气压力的推动下,不同位置的 小有序体 所受的力不一致,加之纤维间的起伏不平,短时间内难以形成大范围内有序排列的堆积,仅排列成局部范围内有序的结构㊂综上,当组装液体积浓度为2.4~4.0L /m 2时,P (St-MAA )胶体微球在真丝织物的两面均能构筑出局部范围内有序的光子晶体结构,从而使真丝织物获得光子晶体结构色㊂图2㊀不同组装液体积浓度下P (St-MAA )胶体微球在真丝织物上排列的FESEM 图像Fig.2㊀FESEM images of arrangements of P (St-MAA )colloidal microsphereson silk fabrics at different dosages of assembly solution为进一步表示P (St-MAA )胶体微球构筑光子晶体生色结构的呈色效果,采用数码相机观测不同组装液体积浓度下,光子晶体结构色真丝织物的照片,结果如图3所示㊂由图3可以看出,真丝织物正反面光子晶体结构色的明亮程度与组装液体积浓度密切相关㊂当组装液体积浓度少于0.4L /m 2时,胶体微球的数量不足以在真丝织物正反面同时构筑大面积的光子晶体结构,导致绿色结构色主要出现在织物反面㊂当体积浓度从0.4L /m 2增加至2.4L /m 2时,真丝织物反面上的结构色愈加明亮,正面也逐渐出现绿色的光子晶体结构色㊂然而,继续增大组装液体积浓度(4.0L /m 2)时,由于组装液中含有的胶体微球数量较多,堆积的光子晶体结构层太厚而出现裂缝,容易从织物表面脱落,最终影响了结构色效果㊂因此,组装液体积浓度为2.4L /m 2时,真丝织物正反面能够同时获得明亮且完整的光子晶体结构色,与上述结果保持一致㊂此外,该过程表明P (St-MAA )胶体微球是先在真丝织物反面堆积成光子晶体结构,再逐渐向正面堆积,最终两面均构筑出完整的光子晶体结构,即微球在真丝织物上形成光子晶体结构的方式是遵循 先反后正 的原则㊂图3㊀不同组装液体积浓度下光子晶体结构色真丝织物的数码照片Fig.3㊀Digital photos of structural colored silk fabricsbased on photonic crystals at differentdosages of assembly solution图4为不同组装液体积浓度下光子晶体结构色真丝织物正反面的反射率曲线㊂由图4可见,随着组装液体积浓度的增加,真丝织物正反面光子晶体结构色的反射率峰值逐渐变大,但反面的波动幅度小于正面㊂这是由于P (St-MAA )胶体微球在真空辅助过滤过程中遵循 先反后正 的组装方式,即真丝织物反面总是优先正面形成完整的光子晶体结构,从而43第61卷㊀第5期光子晶体结构生色真丝织物的制备及应用研究导致两面结构色的反射率波动幅度有所差异㊂其中,当组装液体积浓度在0.4~1.6L /m 2时,织物正面结构色的反射率峰值明显偏低,反射率为8.966%~14.651%㊂这是因为组装液中微球的数量不足以在正面构筑完整的光子晶体结构,并不具备产生完整光子带隙的高介电常数比及长程范围内周期性拓扑特征的条件,是光子晶体特殊的缺陷态结构,格点排列的有序度低,且组装液中黑色染料还具有吸收散射光的作用,双重作用下造成反射率峰值偏低㊂当组装液体积浓度为2.4L /m 2和4.0L /m 2时,织物正反面的结构色反射率峰值几乎维持在同一水平,正反面反射率峰值分别为18%和19%左右㊂然而,在4.0L /m 2组装液体积浓度下,真丝织物上的光子晶体结构层太厚,容易脱落㊂图4㊀正反两面反射率曲线Fig.4㊀Reflectance curves of front and back sides㊀㊀综上所述,当组装液体积浓度为1.6~4.0L /m 2时,P (St-MAA )胶体微球至少可以在真丝织物的一面构筑完整的光子晶体结构,赋予织物明亮的结构色㊂其中,当组装液体积浓度为2.4L /m 2时,可得到明亮且完整的双面光子晶体结构色真丝织物㊂2.2㊀真空辅助过滤组装过程分析以制备紫红色光子晶体结构色真丝织物为例,采用数码相机记录真空辅助过滤组装的过程,如图5所示,其中此处所采用的P (St-MAA )胶体微球的粒径为295nm ㊂由图5可以看出,将组装液加入过滤杯后,由于P (St-MAA )胶体微球粒径大于过滤膜的孔径,通过大气压力推动,微球被阻挡在滤膜上,优先组装在真丝织物反面,而组装液中液体则顺利通过滤膜收集㊂在第2分31秒时,随着液体逐渐被排出,微球在真丝织物的正面和反面陆续出现光子晶体结构;在第6分53秒时,过滤区域内的真丝织物上出现完整的光子晶体结构㊂最后,将真丝织物从滤膜上剥离并烘干,得到具有双面紫红色光子晶体结构色的真丝织物㊂由上述分析可知,真空辅助过滤过程中的P (St-MAA )胶体微球以 先反后正 的方式在真丝织物上构筑光子晶体结构㊂因此,为进一步证明此过程,拍摄不同时期的光子晶体结构色真丝织物的数码照片,如图6所示,其中真丝织物正反面均为白色㊂在真空辅助过滤组装过程的第3秒,组装液体系中黑色酸性染料与胶体微球共同作用在真丝织物的正反面,真丝织物反面的部分区域出现紫红色光子晶体结构色,正面呈现黑色㊂当时间达到第30秒时,通过大气压力推动,胶体微球优先在真丝织物的反面组装成较完整的光子晶体结构,正面逐渐被胶体微球覆盖,出现明显的光子晶体结构色㊂当时间达到第6分53秒时,真丝织物的正反面均呈现均匀的紫红色光子晶体结构色㊂此外,随着时间的推移,胶体微球呈现 先反后正 的堆叠方式㊂在真空辅助过滤组装过程中,为观察P (St-MAA )胶体微球在真丝织物上的组装状态,采用FESEM 测试了不同时期下光子晶体结构色真丝织物反面的表观形貌(图7)㊂由图7可图5㊀真空辅助过滤制备紫红色光子晶体结构色真丝织物的过程Fig.5㊀Preparation process of purplish structural colored silk fabrics based on photonic crystals via vacuum-assisted filtering53Vol.61㊀No.5Study on the preparation and application of structural colored silk fabrics based on photoniccrystals图6㊀不同时期下光子晶体结构色真丝织物的数码照片Fig.6㊀Digital photos of structural colored silk fabrics basedon photonic crystals at differentperiods图7㊀不同时期下P (St-MAA )胶体微球在真丝织物反面的排列状态Fig.7㊀Arrangements of P (St-MAA )colloidal microspheres onback side of silk fabrics at different periods以看出,真丝织物中纤维间存在明显空隙,纤维表面光滑,无胶体微球㊂当真空辅助过滤组装过程进行至第3秒时,P (St-MAA )胶体微球已经开始附着在纤维表面,纤维之间仍存在较大的空隙,此时构筑的光子晶体结构不完整㊂随着抽滤过程的不断继续(第30秒~第6分53秒),P (St-MAA )胶体微球构筑的光子晶体结构逐渐排列规整,P (St-MAA )胶体微球在原有结构的基础上不断堆砌形成较厚的光子晶体结构层,纤维之间的空隙完全被微球填充,未观察到裸露的纤维㊂结果表明,P (St-MAA )胶体微球在真丝织物上构筑光子晶体结构的过程,可以从不同时间段下真丝织物上光子晶体结构色的颜色变化来体现㊂图8表示P (St-MAA )胶体微球在真丝纤维上的组装过程,可分为初始阶段㊁堆砌阶段㊁完备阶段及烘干阶段㊂由图8可以观察到,未抽滤之前,组装液中的P (St-MAA )胶体微球分散在真丝纤维周围㊂随着真空辅助过滤法的进行,一部分微球由于纤维的吸附作用覆盖在纤维上,一部分微球由于自身的静电相互作用力,会在纤维周围形成块状的 小有序体 ㊂在大气压力推动下,微球以堆砌阶段形成的光子晶体为基底,继续在纤维上构筑光子晶体结构,并逐渐填充纤维间的缝隙㊂待停止抽滤后,P (St-MAA )胶体微球停止运动,在真丝纤维上形成局部范围内有序的光子晶体结构㊂烘干后,在真丝织物上形成了一层固态的光子晶体层,得到具有结构色的真丝织物㊂2.3㊀真丝织物上光子晶体结构生色的虹彩效应分析光子晶体结构色具有典型的虹彩效应,随观察角度的改变,颜色也会发生变化[21-22]㊂为此,采用MA 98型多角度分光光度计对由223nm P (St-MAA )胶体微球制备的绿色光子晶体结构色真丝织物的虹彩效应进行定量分析,结果如图9所示,图中45axXX 表示光源角度为45ʎ,对应的观察角度为图8㊀P (St-MAA )胶体微球在真丝织物上的组装过程示意Fig.8㊀Schematic diagram of the assembly process of P (St-MAA )colloidal microspheres on silk fabrics63第61卷㊀第5期光子晶体结构生色真丝织物的制备及应用研究XXʎ㊂由图9(a )可以看出,随着光源角度和观察角度的变化,结构色真丝织物的色调由浅绿向深绿色转变,但仍处于绿色波长范围内;由图9(b )观察到,当光源角度处于45ʎ㊁观察角度从-15ʎ~45ʎ时,在此区域内呈现的颜色所对应的反射率峰值从500nm 移至530nm ,逐渐朝着可见光中长波方向移动;当光源角度处于45ʎ㊁观察角度从75ʎ向110ʎ增加时,此区域内反射率峰值落在绿色波长区域内,均位于540nm 附近;当光源角度为15ʎ㊁观察角度从-15ʎ~15ʎ时,此区域内的反射率最大反射峰值仍位于540nm 波长左右,结果与图9(a )的虹彩效应图片所呈现的色调保持一致㊂总之,利用真空辅助过滤的方式在真丝织物上获得的光子晶体结构色具有较低的虹彩效应,即颜色不会随着观察角度的变化而明显变化㊂这种色彩效果与常规染料或颜料着色效果较为接近,有望部分替代传统染料或颜料着色㊂图9㊀光子晶体结构生色真丝织物的虹彩效应图片及反射率曲线Fig.9㊀Iris effect images and reflectance curves of structural coloredsilk fabrics based on photonic crystals2.4㊀手绘法在白色真丝织物光子晶体结构生色中的应用㊀㊀分别以粒径197㊁223㊁245㊁295nm 的P (St-MAA )胶体微球为基元构成的光子晶体结构生色组装液,除了在真丝织物上构筑简单的光子晶体结构色,其图案化在应用中也扮演着重要角色㊂图10为通过手绘法在白色真丝织物制备得到的图案化光子晶体结构色,单一图案制备时间最长为10min ㊂由图10可以看出,通过有效的色彩搭配,以手绘的方式在真丝织物上制作出单色㊁双色㊁多色的光子晶体结构色图案㊂因此,利用配制的组装液可以在真丝织物上获得多色彩㊁多样化的图案,这极大地拓宽了光子晶体结构色的应用范围㊂图10㊀图案化光子晶体结构色真丝织物的数码照片Fig.10㊀Digital photos of patterned structural colored silkfabrics based on photonic crystals3㊀结㊀论本文通过真空辅助过滤法和手绘法在白色真丝织物上构筑光子晶体生色结构,实现真丝织物的着色㊂分析了不同组装液体积浓度下光子晶体结构色的呈现效果,研究了真丝织物上光子晶体结构色的虹彩效果,探讨了P (St-MAA )胶体微球在真空辅助过滤法中的组装过程,考察了手绘法在真丝织物光子晶体结构生色中的应用效果㊂主要结论如下:1)真空辅助过滤法中,当组装液体积浓度为2.4L /m 2时,223nm P (St-MAA )胶体微球在真丝织物的两面能同时构筑出结构色较为明亮的光子晶体,此时结构色真丝织物正反面的反射率峰值约为18%,即实现真丝织物的双面着色㊂2)对比不同时期下的295nm P (St-MAA )胶体微球在真丝织物上的排列情况,发现微球优先在真丝织物的反面构筑光子晶体结构,即P (St-MAA )胶体微球的组装过程是 先反后正 进行的㊂3)利用真空辅助过滤的方式在真丝织物上构筑的光子晶体结构,可得到具有低虹彩效应的结构色,与常规染料或颜料着色效果较为接近,有望部分替代传统染料或颜料着色㊂4)通过手绘的方式,分别以粒径197㊁223㊁245㊁295nm 的P (St-MAA )胶体微球组装液为结构生色颜料,可以在真丝织物上制备单色㊁双色㊁多色的图案化光子晶体结构色,从而实现了结构色的个性化加工㊂73Vol.61㊀No.5Study on the preparation and application of structural colored silk fabrics based on photoniccrystals‘丝绸“官网下载㊀中国知网下载参考文献:[1]ZHAO X Y,GAO W H,YANG S,et al.From silica colloidalparticles to photonic crystals:Progress in fabrication and application of structurally colored materials[J].Textile Research Journal,2023, 93(11/12):2877-2893.[2]ZHU K M,FANG C Q,PU M Y,et al.Recent advances inphotonic crystal with unique structural colors:A review[J].Journal of Materials Science and Technology,2023,141:78-99. [3]WANG C,LIN X,SCHAFER C G,et al.Photonic crystals:Spraysynthesis of photonic crystal based automotive coatings with bright and angular-dependent structural colors[J].Advanced Functional Materials,2021,31(9):2170060.[4]LI S,JIA L X,DONG P F,et al.Construction of photonic crystalstructural colors on white polyester fabrics[J].Optical Materials, 2021,116:111115.[5]高雅芳.纺织基材上高稳定性光子晶体生色结构的快速制备及其性能研究[D].杭州:浙江理工大学,2021.GAO Y F.Rapid Preparation and Properties of Highly Stable Photonic Crystals with Structural Colors on Textile Substrates[D].Hangzhou:Zhejiang Sci-Tech University,2021.[6]LIU H,ZHANG Y X,JIN M T,et al.Preparation of carbon fibersubstrates with structural colors based on photonic crystals[J].Dyes and Pigments,2022,203:110338.[7]HOU J,LI M Z,SONG Y L.Patterned colloidal photonic crystals [J].Angewandte Chemie International Edition,2018,57(10): 2544-2553.[8]CHEN J L,LIU P M,DU X,et al.Clickable colloidal photoniccrystals for structural color pattern[J].Langmuir,2018,33(44): 13219-13224.[9]柳浩,马万彬,栾一鸣,等.光子晶体结构生色碳纤维/涤纶混纺纱线的制备及其性能[J].纺织学报,2023,44(2):159-167.LIU H,MA W B,LUAN Y M,et al.Preparation and properties of structural colored carbon fiber/polyester blended yarns based on photonic crystals[J].Journal of Textile Research,2023,44(2): 159-167.[10]ZHANG H,LIU X Y.Preparation and selfassembly of photoniccrystals on polyester fabrics[J].Iranian Polymer Journal,2017, 26:107-114.[11]LI S,XIAO Y S,SHAN G H,et al.Rapid preparation of structuralcolor coatings on flexible textiles by simple vacuum-assisted filtration self-assembly[J].Physica E:Low-dimensional Systems and Nanostructures,2022,144:115424.[12]王树春.基于喷墨打印技术的非虹彩结构色微图案材料的制备及其性能研究[D].苏州:苏州大学,2022.WANG S C.Research on Fabrication and Performance of Noniridescent Structural-color Pattern based on Inkjet Printing Technology[D].Suzhou:Soochow University,2022. [13]BAI L,MAI C M,LIM Y,et rge-scale noniridescentstructural color printing enabled by infiltration-driven nonequilibrium colloidal assembly[J].Advamced Materials,2018,30(9): 1705667.[14]WU S L,LIU T F,TANG B T,et al.Different structural colors orpatterns on the front and back sides of a multilayer photonic structure [J].ACS Applied Materials&Interfaces,2019,11(30):27210-27215.[15]WEI W K,WU C C,FANG Q Y,et al.Beyond cadmium yellow:CdS photonic crystal pigments with vivid structural colors[J].Journal of Materials Chemistry C,2023,11:12667-12674. [16]FU G Q,ZHANG X Q,CHU X M,et al.Rapid fabrication ofphotonic crystal patterns with iridescent structural colors on textiles by spray coating[J].Dyes and Pigments,2021,195:109747. [17]DALMIS R,BIRLIK I,AZEM N F A,et al.Modification of thesedimentation method for PMMA photonic crystal coatings[J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects, 2019,577:194-201.[18]KANOUNI K,AMARA S,ASSALI A,et al.TiO2/ZnO photoniccrystal prepared by spray pyrolysis method:Application to multichannel filter[J].Surface Review and Letters,2020,27: 1950181.[19]SU X,JIANG Y,SUN X Q,et al.Fabrication of tough photoniccrystal patterns with vivid structural colors by direct handwriting [J].Nanoscale,2017,9(45):17877-17883.[20]LIU G J,ZHOU L,WU Y J,et al.Optical properties of three-dimensional P(St-MAA)photonic crystals on polyester fabrics[J].Optical Materials,2015,42:72-79.[21]TOPÇU G,GÜNER T,DEMIR M M.Non-iridescent structuralcolors from uniform-sized SiO2colloids[J].Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications,2018,29:22-29.[22]ROMANOV S G,MAKA T,SOTOMAYOR TORRES C M,et al.Diffraction of light from thin-film polymethylmethacrylate opaline photonic crystals[J].Physical Review E,2001,63(5):056603.83第61卷㊀第5期光子晶体结构生色真丝织物的制备及应用研究Study on the preparation and application of structural colored silk fabrics based on photonic crystals XIANG Jiaojiao1MA Wanbin1JIN Mengting1ZHANG Yunxiao1ZHOU Lan13SHAO Jianzhong1LIU Guojin1CHAI Liqin121.College of Textile Science and Engineering International Institute of Silk Zhejiang Sci-Tech University Hangzhou310018China2.Zibo Daranfang Silk Group Co.Ltd.Zibo255300China3.Zhejiang Provincial Innovation Centerof Advanced Textile Technology Shaoxing312000ChinaAbstract The photonic crystal structure can produce vivid and bright colors by interacting with light in interference diffraction and scattering with its own physical pared with traditional chemical dyeing structural colors haveenormous potential application value in the field of textile coloring because of their bright luster and environmentalfriendliness.Numerous studies show that self-assembly of colloidal microspheres on the surface of textiles to constructphotonic crystal structures to generate structural colors is an effective method for preparing structural color textilesespecially represented by impregnation methods such as gravity deposition and vertical deposition.However theimpregnation method has disadvantages of low efficiency and high energy consumption which limits its promotion andapplication.Therefore it is urgent to develop preparation technology with high preparation efficiency and low equipmentrequirements.In addition to the preparation technology the performance of textile substrates is also an important factoraffecting the development of structural colors based on photonic crystals.Numerous studies have found that the backgroundcolor of the substrate has a significant impact on the brightness of the structural colors of photonic crystals.It isunanimously found that a black background is most conducive to constructing photonic crystals with bright structural colorswhile photonic crystals constructed on a white background have the darkest structural colors.At present the most commonpractice is to first dye the textile substrate with black materials and then the treated textile is used as the substrate toconstruct photonic crystals.Pre-coloring not only increases the preparation process but also consumes energy and time.Itis a hot research topic to obtain bright structural colors based photonic crystals quickly and efficiently on white textilesubstrates.Vacuum-assisted filtration is a method that utilizes the negative pressure generated during vacuum pumping toachieve solid-liquid separation.It has the advantages of simple operation high preparation efficiency and simpleequipment.Based on this if the colloidal microsphere dispersion is treated as filtrate the process of colloidal microspherestacking to form photonic crystals happens to be the process of microsphere loading on the textile substrate.This provides apossibility for constructing photonic crystal color structures on textile substrate via vacuum-assisted filtration method.To construct structural colors based on photonic crystals on white silk fabrics the article used poly methyl methacrylate P St-MAA colloidal microspheres as the basic building blocks of the photonic crystal structure and astructural color generation assembly solution was prepared by adapting acidic black dyes then the vacuum-assisted filtrationand hand drawing methods were respectively proposed to achieve the color generation of photonic crystal structures on whitesilk fabrics.First the influence of the dosage of microsphere assembly solution on the structural coloration in the vacuum-assisted filtration process was investigated.The motion mechanism of microsphere forming photonic crystals on silk fabricsunder vacuum-assisted filtration conditions was explored.Afterwards the rainbow effect of photonic crystal structure oncolored silk fabrics was discussed.Finally in order to achieve patterned color generation of photonic crystal structures onsilk fabrics the application effect of the hand drawing method in color generation of photonic crystal structures on silkfabrics was studied.The characteristics of black color absorbing transmitted and scattered light outside the photonic bandgapcan enhance the color saturation of photonic crystal structural colors.This paper used acidic black dyes as absorbingmaterials and mixed them with P St-MAA colloidal microspheres to form a structural color assembly solution.Thephotonic crystal color structure was constructed on white silk fabrics by using vacuum-assisted filtration and hand drawingmethods to achieve the coloring of silk fabrics.The results show that in the vacuum-assisted filtration process when thedosage of assembly solution is2.4L/m2223nm P St-MAA colloidal microspheres can simultaneously constructphotonic crystals with brighter structural colors on both sides of the silk fabric.At this time the peak reflectivity of thefront and back sides of the structural colored silk fabric is about18%suggesting double-sided coloring of the silk fabric isachieved.By comparing the arrangement of295nm P St-MAA colloidal microspheres on the silk fabric at different timesit is found that the microspheres preferentially construct photonic crystal structures on the opposite side of the silk fabricmeaning that the assembly process of P St-MAA colloidal microspheres is reverse first and then forward .The photoniccrystal structure constructed on the silk fabric via vacuum-assisted filtration can obtain structural colors with low iridescenteffect which is similar to the coloring effect of conventional dyes or pigments and is expected to partially replacetraditional dyes or pigments in coloring.By hand drawing P St-MAA colloidal microsphere assembly solutions withparticle sizes of197nm 223nm 245nm and295nm are used as structural colorants to prepare patterned photonic crystalstructural colors of monochrome bicolor and multi-color on the silk fabric achieving personalized processing of structuralcolors.The vacuum-assisted filtration method and hand drawing method provide new ways for the rapid preparation of structural colored textiles based on photonic crystals.The results of this study will contribute to providing a practical basisfor the application of photonic crystal structure coloring in textile coloring.Key words silk fabric photonic crystals structural coloring vacuum-assisted filtration method hand drawing method93。

光子晶体自组装结构色English:## Photonic Crystal Self-Assembly for Structural Color.Photonic crystals (PCs) are periodic structures that can control the propagation of electromagnetic waves. They have been widely used in various applications, such as optical filters, lasers, and solar cells. One of the most promising applications of PCs is in the field of structural color, where they can be used to create vibrant and durable colors without the use of pigments or dyes.Self-assembly is a powerful technique that can be used to fabricate PCs with complex and precise structures. In self-assembly, individual components spontaneously organize into a well-defined structure without the need for external guidance or templates. This approach has several advantages over traditional fabrication methods, such as lithography, etching, and deposition, including lower cost, higherthroughput, and the ability to create structures with sub-wavelength features.There are several different methods for self-assembling PCs. One common method is to use colloidal particles. Colloidal particles are small particles that are dispersed in a liquid. When the particles are close enough to each other, they can interact with each other and self-assemble into a PC structure. The size, shape, and material of the colloidal particles can be controlled to tune the optical properties of the PC.Another method for self-assembling PCs is to use block copolymers. Block copolymers are polymers that consist of two or more different types of monomers. When the block copolymers are heated, they can self-assemble into avariety of different structures, including PCs. The structure of the PC is determined by the composition and molecular weight of the block copolymers.Self-assembled PCs have been used to create a variety of different structural colors. For example, researchershave created PCs that mimic the colors of butterfly wings, peacock feathers, and abalone shells. These colors are created by the interaction of light with the periodic structure of the PC. The wavelength of the light that is reflected from the PC is determined by the spacing of the PC's features.Self-assembled PCs are a promising technology for a variety of applications, including displays, sensors, and anti-counterfeiting. They offer a number of advantages over traditional fabrication methods, including lower cost, higher throughput, and the ability to create structures with sub-wavelength features.Chinese:## 光子晶体自组装结构色。

光子晶体的色散与色相调控光子晶体，是一种具有周期性折射率的材料结构。

这种材料的独特特性使得它在光学应用领域有着广泛的应用。

其中，色散与色相调控是光子晶体最引人注目的特性之一。

本文将探讨光子晶体的色散特性及其在色相调控领域的应用。

在传统材料中，色散是指光的折射率随波长的变化关系。

不同波长的光在经过该材料时，会以不同的角度折射或反射。

而光子晶体中，周期性的折射率变化使得光的传播特性更加复杂。

光在光子晶体中的传播方式是借助于光子带隙，即材料中电子带结构与光子能量之间的禁带区。

这个禁带区决定了光子晶体中不同波长的光是否能传播。

当光的波长与禁带区内的能带结构匹配时，光被光子晶体完全反射，从而产生了色散。

光子晶体的色散特性源于其结构的周期性。

光子晶体通常由具有高折射率的固体球体或柱体等周期性排列而成。

在光穿过光子晶体时，由于光子带隙的存在，光的波长会受到限制，从而导致色散效应的产生。

色散效应表现为不同波长的光以不同的角度从晶体表面反射出来，产生美丽的光谱效果。

色散对于光学应用来说具有重要的作用。

首先，色散效应是光学仪器用于分离不同波长光的基础。

例如，在光谱仪中，通过采用光子晶体的色散特性，可以将入射光按照不同波长分成不同的光束，从而实现光的分析和测量。

其次，色散特性也可以用于色相调控，即通过控制光波长与光子带隙的匹配程度来改变光的色相。

这一特性在显示技术中有着重要的应用。

光子晶体的色相调控在显示技术中有着广泛的应用。

传统的液晶显示器是通过控制液晶分子的取向来调节光的透射性质。

而采用光子晶体的色相调控技术可以通过调整光子带隙的波长来改变反射光的颜色。

这种技术可以实现更加鲜艳的色彩效果，并具有更高的亮度和对比度。

此外，由于光子晶体的色彩效果是来自于材料本身的结构，而不是依赖于外部光源，因此具有极高的自发光亮度。

然而，在实际应用中，光子晶体的色相调控还面临一些挑战。

其中一个主要的问题是如何实现动态调控。

目前，大部分光子晶体的色相调控是基于固定结构的设备。

三维磁性光子晶体的研究进展探讨磁性光子晶体指的就是将磁性引入到光子晶体之中。

光子晶体是一种人工的微结构，是由介电材料周期性排列形成的。

在周期性介电结构中，光进行传播的时候和电子在其中传播的时候比较相似。

介电常数增大到与光波长相等的时候，介质的布拉格散射就会出现一些带隙，俗称光子带隙。

光子在这种带隙的区域内的传播是被严格的控制的，在宏观的角度上出现反射率比较大而透射率比较小的情况。

磁性光子晶体就是在晶体的基础上具有磁性，能够衍生出更多的性质，衍生的新性质在多个领域中具有很大的应用价值，比如环形器、光信息存储、隔离器等。

1. 三维磁性光子晶体结构磁性光子晶体根据结构的不同大致可以分为三种，分别为一维磁性光子晶体、二维磁性光子晶体和三维磁性光子晶体。

三维磁性光子晶体的结构更加的复杂，制造工艺和流程的要求比较严格，目前的三维磁性光子晶体结构主要有四种：分别为蛋白石结构、反蛋白石结构、磁性核壳结构、仿生结构等。

1.1蛋白石结构蛋白石结构的组成一般为亚微米或者微米，组成排列的形状是六角最密堆积自组装而成。

微球材质中一般都含有二氧化硅、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等物质，其中微球的制备方法因为材质的不同而有所差别，二氧化硅微球的制作方法一般是通过Stber法，聚丙乙烯微球的制作方法一般是无皂乳液聚合法。

微球自组装蛋白石结构的光子晶体方法比较多，目前我们实际中应用比较多的就是提拉法和垂直沉积法。

垂直沉积法是在微球的分散液中插入玻璃基底，溶液都会产生蒸发的作用，在毛细力的作用下，微球会在基底的表面形成六角密堆积排列；提拉法是将基底利用机械臂保持一定速度的上提，从而能够有效地控制基底的生长厚度。

1.2反蛋白石结构反蛋白石结构是在蛋白石结构的基础上进行一系列的加工得到的。

蛋白石结构中微球和微球之间都会产生空隙，反蛋白石结构就是将介电材料添加在这些的孔隙之中，导致原来的微球被剔除，从而产生剩余孔隙填充物的结构。

其中对于填充物的选择种类比较多，可以选择金属氧化物，碳、硅等非金属单质，金属或者有机高分子材料等。

光子晶体和光子晶体结构光子晶体是一种具有周期性层状结构的材料，其特点是能够控制光波的传播和调制。

光子晶体的研究和应用在光学、电子、通信等领域有着广泛的应用前景。

光子晶体结构的形成是通过改变材料中介质折射率的分布而实现的。

光子晶体的基本单元是具有不同折射率的周期性结构，每个单元的尺寸一般在光波的波长范围内。

通过改变周期性结构的尺寸和形状，可以调控光的传播速度、频率和波长选择性。

光子晶体能够形成光子带隙，使光波在特定频率范围内被禁止传播，这种特性使得光子晶体在光学器件设计和光学信号处理中具有重要的作用。

在光子晶体的研究中，最常见的结构包括一维、二维和三维的光子晶体。

一维光子晶体是由多个介质层交替叠加而成，如Fabry-Perot腔、DBR腔等，可用于制备窄带滤波器和调制器。

二维光子晶体是由周期性排列的柱状或球状结构组成，可用于制备光学波导、微透镜和分光器。

三维光子晶体具有更复杂的结构，可以形成全息拓扑结构，制备出具有高度对称性和复杂功能的光学器件。

光子晶体的制备通常采用自组装、光刻、溶胶凝胶法等方法。

其中，自组装是一种常用的方法，通过微流控技术和界面控制来实现光子晶体的组装。

自组装方法可以制备出具有高度有序结构和周期性的光子晶体，并且具有较高的可扩展性和可控性。

光子晶体的应用涵盖了众多领域。

在光学传感方面，光子晶体可以通过改变环境折射率来实现对光波传播的调控，从而实现对环境中物质浓度、温度和压力等参数的检测。

在光学通信中，通过光子晶体的结构设计和调控，可以实现高效率的光信号传输和调制，提高通信系统的性能。

此外，光子晶体还可以应用于光子计算、光子集成电路、太阳能电池和光子器件等领域。

光子晶体的研究还面临着一些挑战。

首先，光子晶体的制备技术需要进一步发展，提高自组装方法的可控性和稳定性。

其次，光子晶体的性能和应用还需要深入研究，特别是在高温、高压和强光照射等复杂环境下的应用。

最后，光子晶体在制备成本和规模化生产方面还存在一定的限制，需要寻找更加经济和可行的制备方法。

光子晶体介电材料的结构和性质分析光子晶体是一种新兴的介电材料，其独特的光学性质和多样的结构形态使其在光学、电子学、热学等领域具有重要应用前景。

本文将探讨光子晶体介电材料的结构和性质分析。

一、光子晶体介电材料的结构形态光子晶体的结构可分为三类：一维光子晶体，二维光子晶体和三维光子晶体。

其中，一维光子晶体是由具有不同介电常数的多层介质构成的，呈现出周期性的反射带结构。

二维光子晶体是由哑铃形或圆形的微球堆积而成。

在这些微球的排列中，将实现完美的布拉格衍射，在可见光范围内呈现出色彩斑斓的结构色。

三维光子晶体是由周期性的微观结构构成的，例如体心立方、面心立方等。

其结构可通过光学技术、模板法等方式精确控制，并且可以调控光学性能，适应不同的应用场合。

二、光子晶体介电材料的光学性质由于光子晶体的周期性结构，它具有一些特殊的光学效应，如布拉格衍射和光子禁带。

其中，光子禁带是指某一波长范围内电磁波在光子晶体中被完全反射或传播受限，在这一区域内不存在光波传播，使得材料具有低透过率或高反射率。

光子晶体由于包含周期性的介质结构，其光学性质随着横向尺寸和填充物的变化而产生各种差异。

因此，光子晶体在宽带光源、光子传感、高效光电控制等领域具有广泛的应用前景。

三、光子晶体介电材料的电子性质光子晶体的电学性质同样值得注意。

在一些特殊的光子晶体中，存在电学相位调制效应，可由输入电场控制光子晶体的禁带宽度与中心波长，实现信号的调制和开关。

同时，光子晶体也可用于新型的能源转换器件中，如太阳能电池、光催化、热契合器等。

四、光子晶体介电材料的热学性质光子晶体中的光学禁带与热导率密切相关。

一些特定的光子晶体，如掺杂硅和高熵合金等，其热导率呈现负面值，这种负热导现象存在于光子晶体禁带附近。

利用这一现象，可以提高热电转换效率，制备高效的热电器件。

五、总结光子晶体介电材料是具有重要应用前景的新型材料。

对于其结构和性质的深入分析，有助于探索其更广泛的应用。

光子晶体材料的性质及其应用随着科技不断进步发展，材料领域也不断涌现各种新材料。

其中，光子晶体材料引起了广泛的关注和研究。

它是一种由周期性的折射率变化构成的材料，具有许多优异的性质和应用。

本文将介绍光子晶体材料的性质及其应用。

一、光子晶体材料的基本结构和性质1.基本结构光子晶体材料的基本结构是周期性的空气和介质的层状结构。

其中，空气具有比介质更低的折射率，二者交替排列，形成了周期性的光子带隙。

这些光子带隙可以阻挡光子的传播，从而实现光子晶体材料的各种奇妙性质。

2.折射率光子晶体材料具有非常稳定的光学性质，其折射率可以在很大程度上进行调控。

这是由于光子晶体材料的周期性结构，经过一定处理后，可以使折射率发生变化，从而实现对光子的控制和调控。

3.光子带隙光子晶体材料的周期性结构可以阻挡特定波长范围光子的传播，这被称为光子带隙。

这些光子带隙的大小和位置可以随着光子晶体材料结构的改变而变化，这使得光子晶体材料在各种领域的应用具有非常广泛的前景。

二、光子晶体材料的应用1.传感器光子晶体材料的周期性结构可以被用作各种各样的传感器。

由于光子晶体材料的折射率可以随着外部环境的改变而发生变化，因此可以对光子晶体材料进行不同的处理和改变结构，使得它对物理、化学和环境参数等的敏感度得到很好的控制。

这为制造高灵敏传感器提供了一个有效的途径。

2.光子晶体激光光子晶体材料由于具有宽禁带隙和高折射率差，因此具有开发新型微型激光器的潜力。

与传统激光器相比，光子晶体激光器具有更小的模式体积和更好的束缚能力。

这些优点使得光子晶体激光器在各个领域都有广泛的应用。

3.光子晶体光学波导光子晶体材料的周期性结构使得它可以被用作光束引导器和光学开关。

在光学通信和数据存储中，光子晶体光学波导被广泛应用。

它具有低损耗、高质量因子和可控制的传送特性等优越性能。

4.光子晶体滤波器光子晶体材料还可以用作高效的光滤波器和光谱分析器。

光子晶体材料的周期性结构使得它能够精细控制光的传播和反射，从而实现了很好的滤波效果。

收稿日期:2006-01-20.动态综述光子晶体的研究新进展及应用邹丽娜1,郑咏梅1,2,施宏艳1,申铉国1(1.吉林大学物理学院,吉林长春130023;2.中国科学院化学研究所,北京100080)摘　要:　光子晶体具有调节光子运动状态的特性,在光通信、医学和国防科技等领域具有非常广阔的应用前景。

简要介绍了光子晶体的主要特征及制备方法,总结了基于光子晶体的光纤,激光器,滤波器和集成光路的工作机理和最新研究成果。

关键词:　光子晶体;光子禁带;周期性结构;介电常数中图分类号:TB383　文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2006)03-0231-05R ecent Progress and Application of Photonic CrystalZOU Li 2na 1,ZH EN G Y ong 2mei 1,2,SH I Hong 2yan 1,SH EN Xuan 2guo 1(1.College of Physics ,Jilin U niversity ,Changchun 130022,CHN;2.I nstitute of Chemistry ,Chinese Academy of Sciences ,B eijing 100080,CHN )Abstract :　Photonic crystal has t he extensive applications in optical communication ,medicine ,national defense science and ot her fields because of t heir peculiar properties in cont rolling p hoto nic propagation.The characteristics and fabrication met hods of p hotonic crystals are reviewed.The operation p rinciples and latest develop ment s of t he optical fiber ,laser ,filter and integrated optical circuit based on p hotonic crystal are p roposed.K ey w ords :　p hotonic crystal ;p hotonic bandgap ;periodical st ruct ure ;permittivity constant1　引言当电子和微电子技术走向极限时,科学家提出了以光子代替电子作为信息载体的设想。

目录摘要.............................................................. I I Abstract.......................................................... I II 前言.............................................................. I V 第一章光子晶体 (1)1.1 光子晶体简介 (1)1.2 光子晶体的结构 (1)1.3 光子晶体的特性 (2)1.3.1 光子晶体具有周期性结构 (2)1.3.2 光子晶体具有光子禁带 (3)1.3.3 光子晶体能抑制自发辐射 (3)1.3.4 光子晶体具有光子局域 (4)第二章一维光子晶体的能带结构研究 (5)2.1 研究一维光子晶体能带的方法 (5)2.1.1 特征矩阵法 (5)2.1.2 平面波展开法 (6)2.2 一维光子晶体的能带结构研究 (8)第三章一维光子晶体的特征 (11)3.1 光子禁带 (11)3.2 光子局域 (12)第四章一维光子晶体光带隙性能的影响因素探讨 (15)4.1 周期数的影响 (15)4.2 折射率比值的影响 (15)4.3 中心波长的影响 (16)第五章结论 (19)参考文献 (20)致谢 (21)一维光子晶体的能带结构研究摘要在当今世界，科学家们在不断研究大规模集成电路时发现由于电子的特性，半导体器件的集成快到了极限，而光子有着电子所没有的优越特性：传输速度快，没有相互作用。

所以科学家们希望能得到新的材料，可以像控制半导体中的电子一样，自由地控制光子，即光子晶体。

随着科学技术的发展特别是制造工艺技术的发展，使得光子晶体的制造不仅变得可能，还得到了长足的进步，在可见光及红外波段可以制成具有所需能带结构的光子晶体，实现对光子的控制。

本论文主要对一维光子晶体的能带、禁带进行深入地研究，这对设计和制备一维光子晶体具有指导意义。

光子晶体研究现状
光子晶体是一种具有规则周期性结构的材料，其具有特殊的光学性质。

自20世纪90年代以来，随着材料科学和光学技术的发展，光子晶体引起了广泛的关注和研究。

目前，对于光子晶体的研究主要集中在三个方面：设计与合成、光学性质和应用。

在设计与合成方面，利用计算机模拟和纳米加工技术可以实现精确的控制和制备。

在光学性质方面，光子晶体具有禁带、光子拓扑等特殊性质，可以广泛应用于光通信、传感、光子计算等领域。

在应用方面，光子晶体已经被应用于微波和可见光的频率选择性反射、非线性光学、光子晶体激光器等领域。

尽管光子晶体在理论和应用方面取得了很大的进展，但是其制备工艺和应用还存在一些问题和挑战。

例如，如何实现大面积、高质量的制备以及如何实现更多的功能化是目前的研究重点。

因此，未来的研究方向包括开发新的制备工艺、探索更多的光学性质、研究多功能化光子晶体等方面。

- 1 -。

光子晶体的结构设计研究报告摘要：本研究报告主要探讨了光子晶体的结构设计。

光子晶体是一种具有周期性结构的材料，其具有调控光学波长的能力，因此在光子学领域具有广泛的应用前景。

本研究通过对光子晶体的结构设计进行深入研究，提出了一种新的结构设计方法，并通过数值模拟验证了其有效性。

研究结果表明，所提出的结构设计方法能够显著改善光子晶体的光学性能，为光子学领域的研究和应用提供了新的思路和方法。

1. 引言光子晶体是一种具有周期性结构的材料，其周期性结构可以与光的波长相匹配，从而实现对光的调控。

光子晶体具有禁带结构和布里渊散射等特性，因此在光学通信、光学传感、光电子器件等领域具有广泛的应用前景。

然而，现有的光子晶体结构设计方法仍然存在一些问题，如制备复杂、光学性能不稳定等。

因此，对光子晶体的结构设计进行深入研究具有重要的理论和实际意义。

2. 光子晶体的基本原理光子晶体是由周期性排列的介质或金属微结构构成的材料。

其周期性结构可以与光的波长相匹配，从而实现对光的调控。

光子晶体的禁带结构是其最重要的特性之一，它使得光子晶体能够实现对特定波长光的传输和反射。

此外，光子晶体还具有布里渊散射和非线性光学效应等特性，这些特性使得光子晶体在光学领域具有广泛的应用前景。

3. 光子晶体的结构设计方法光子晶体的结构设计是实现对光的调控的关键。

目前，光子晶体的结构设计方法主要包括布拉格反射法、拓扑优化法和基于机器学习的方法等。

然而，这些方法存在一些问题，如制备复杂、光学性能不稳定等。

因此，我们提出了一种新的结构设计方法，该方法通过对光子晶体的周期性结构进行优化，实现了对光的高效调控。

4. 结构设计方法的数值模拟验证为了验证所提出的结构设计方法的有效性，我们进行了数值模拟实验。

在实验中，我们采用了有限元方法对光子晶体的光学性能进行了模拟计算。

结果表明，所提出的结构设计方法能够显著改善光子晶体的光学性能，提高其禁带宽度和传输效率。

与传统的结构设计方法相比，所提出的方法具有更好的稳定性和可控性。

光子晶体知识点光子晶体，也被称为光子晶体材料或光子晶体结构，是一种具有周期性折射率变化的材料。

其结构中的周期性变化可以通过控制原子、离子、颗粒的位置或分布来实现。

光子晶体具有特殊的光学性质，如光子禁带、波导效应和全反射等，因此在光学器件和光电子领域具有重要的应用价值。

本文将介绍光子晶体的基本概念、制备方法、结构特点及应用领域。

光子晶体的概念光子晶体是指具有周期性折射率变化的材料结构，其中的周期性可以是一，二或三维的。

与电子在晶体中受周期性势场限制类似，光子在光子晶体中也受到其结构的制约。

光子晶体的周期性结构会导致光的波长在特定频率范围内受到禁带（光子禁带）的限制，使得该波长的光无法在晶体中传播，从而产生光的反射和折射现象。

光子晶体的制备方法目前，制备光子晶体的方法主要包括自组装法、光刻法和纳米球技术等。

自组装法是最常见的方法之一，它利用颗粒、纳米球等微小颗粒在溶液中自组装成具有周期性结构的光子晶体。

光刻法则是通过光刻技术将光敏材料覆盖在基底上，并利用模具的传递模式，在材料表面形成具有周期性结构的坑洞或凸起。

纳米球技术是利用纳米粒子自组装形成具有周期性结构的光子晶体材料。

光子晶体的结构特点光子晶体的结构特点主要表现在三个方面：禁带效应、波导效应和全反射效应。

首先是禁带效应，即当光的波长与光子晶体的周期性结构匹配时，会出现禁带现象，禁止该波长的光传播。

这种特性使得光子晶体在光学器件中可以实现光的选择性传输和滤波功能。

其次是波导效应，光子晶体中存在能够限制光传播方向的波导通道，使得光可以沿着特定路径在晶体中传输。

最后是全反射效应，当光从光子晶体射入到光密介质中时，会发生全反射现象，使光无法透射到介质中。

光子晶体的应用领域光子晶体由于其独特的光学性质，被广泛应用于光学器件、光学传感、光储存、光通信等领域。

在光学器件方面，光子晶体可以用于制造光纤、光学波导、激光器、滤光片等。

在光学传感方面，光子晶体可以通过对光的散射和透射特性的调控，实现对光场、温度、压力等物理量的测量。

光子莫尔晶格的研究进展光子莫尔晶格是一种由光子构成的人工晶体结构，类似于实体晶体中的电子在周期性势场中运动的行为。

它是一种能够自由传播的周期性电磁场结构，在光子晶体、光子带隙材料和光子导波器件等领域具有广泛的应用前景。

近年来，光子莫尔晶格的研究进展得到了快速推动，本文将对其中的一些重要进展进行概述。

首先，基于光子莫尔晶格的设计和制备方法得到了很大的改进。

传统的方法主要包括自组装和纳米加工技术，但这些方法在周期性结构的制备过程中存在很多困难。

近年来，研究人员通过引入更加灵活和容易控制的方法，例如激光直写和电子束曝光等，成功实现了光子莫尔晶格的高分辨率制备，为后续的研究提供了更好的样品。

其次，光子莫尔晶格在光子带隙材料领域的应用取得了重要进展。

光子带隙材料是一种具有光子禁带的材料，可以使特定波长的光无法通过，这对于光学器件的调控和控制至关重要。

光子莫尔晶格的引入可以大大改善光子带隙材料的性能，并在调制光子带隙特性方面提供了更多的控制手段。

通过合理设计光子莫尔晶格的结构和参数，可以实现更宽的光子带隙和更强的光子禁带效应，从而提高光子带隙材料的性能和应用。

第三，光子莫尔晶格在光子导波器件方面有了一系列新的进展。

光子导波器件是利用光子在光子晶体中的导波效应传输和操控光的器件。

光子莫尔晶格的引入可以在器件中引入新的光学特性，例如禁带引导模式、共振耦合和波导滤波等。

这些特性使得光子导波器件在光通信、光传感和光量子计算等领域有了更广泛的应用。

同时，通过调控光子莫尔晶格的结构和参数，也可以实现对光子导波器件的频率调谐和输运特性的调控，提高器件的调制效率和功能。

最后，光子莫尔晶格在光子学基础研究中发挥着重要作用。

通过研究光子莫尔晶格的光学性质和结构特性，可以深入理解光子在周期性势场中的行为和相互作用规律，并揭示光子晶体中的新的物理现象。

这些研究对于推动光子学的发展和拓展新的研究方向具有重要意义。

综上所述，光子莫尔晶格在设计和制备方法、光子带隙材料、光子导波器件和光子学基础研究等方面都取得了重要的进展。

自然界中存在着一类具有周期性介电结构的材料，被称为光子晶体材料。

这些材料具有光子禁带，可以通过全反射的方式禁止特定频率的光子在其中传播。

光子晶体的周期性结构会在光子带隙边缘处引入慢光导模，从而实现极慢光。

光子晶体是一种可以调控光子传播的周期性的光学纳米结构，其对于光子的调控类似于离子晶格对电子运动的调控。

在自然界中，光子晶体的表现包括结构生色和动物皮毛的反射颜色。

由于光子晶体所具备的调控光子传播过程的特性以及光子晶体在结构模型和研究方法上与半导体具有许多可以相互借鉴之处，这类材料被认为在半导体光催化领域的研究中具有巨大的前景。

以上信息仅供参考，如需了解更多关于自然界的光子晶体的信息，建议咨询量子科学家或查阅相关科技文献资料。

光子晶体的发展及应用光子晶体（Photonic crystal）是一种由具有周期性折射率分布的材料组成的光学结构，具有使特定波长或频率的电磁波波长长波或停波效应的能力。

随着科学技术的不断发展，光子晶体的研究逐渐深入，其在信息、光学、电子、生物等多个领域中的应用也不断拓展。

光子晶体的发展20世纪80年代初，人们开始研究周期性介质的电磁波传输现象，从而引发了对光子晶体的研究。

1990年代初期，美国贝尔实验室和加州大学博士后思高奇（Sajeev John）等人建立了第一个具有完全光子禁带结构的光子晶体结构，这使光子晶体材料一跃成为热门研究课题。

2000年以后，光子晶体的发展出现了许多新的进展。

一方面，科学家在光子晶体材料的性质、结构设计和制备等方面进行了大量的研究，不断推进了光子晶体的实用化。

另一方面，光子晶体的具体应用也不断涌现，涉及到了信息通信、生物光子学、光源技术等多个领域。

光子晶体的应用1.光子晶体在信息通信领域的应用光子晶体的最基本的应用是在信息通信领域。

由于其禁带效应的抑制，光子晶体能够有效地控制光传输的方向和光强度，并能够实现光子晶体通信中的频率分解和空间分解。

因此，光子晶体材料非常适合用来制造高速光通信系统的滤波器、耦合器、多路复用器和分路器等组件。

2.生物光子学中的应用在生物光子学领域，光子晶体可以用于检测和响应化学和生物元素与光的相互作用。

这一领域的研究可以使得生物分析与诊断更加便捷、快速和准确，同时为生物学领域的药物发现和基因分析提供新思路。

3.光源技术的应用利用光子晶体完成了光场的空间调制和析取，相应的光谱也就从原来的连续光带扩展到了数字化的离散光带。

这样，光源的波长便可以被精确地加以控制和调节，因此被广泛应用于激光塞曼慢器、隧道排放光谱仪等领域。

光子晶体虽然在应用方面存在各种局限性，在实际应用中存在多种选择，可是其独特的光学特点使得光子晶体在未来光学和信息技术领域都有着广泛的应用前景，并且能为许多领域的发展提供新的动力。

光子晶体姓名：赵凡凡学号：10121938光子晶体研究进展摘要光子晶体是八十年代末提出的新概念和新材料，迄今取得异常迅猛的发展，是一门正在蓬勃发展的有前途的新学科。

光子晶体不仅具有理论价值，更具有非常广阔的应用前景，这个领域已经成为国际学术界的研究热点。

本文回顾光子晶体的发展历史，介绍光子晶体的特性、制作方法、理论研究以及应用前景。

关键词：光子晶体，光子能带，光子带隙，光子局域态，自发辐射，Maxwell方程组我们所处的时代从某种意义上来说是半导体时代。

半导体的出现带来了从日常生活到高科技革命性的影响。

大规模集成电路、计算机、信息高速公路等等这些甚至连小学生都耳熟能详的东西是由半导体带来的。

几乎所有的半导体器件都是围绕如何利用和控制电子的运动，电子在其中起到决定作用。

半导体器件到如今可以说到了登峰造极的地步。

集成的极限在可以看到的将来出现。

这是由电子的特性所决定的。

而光子有着电子所没有的优势：速度快，没有相互作用。

因此，下一代器件扮演主角的将是光子。

光子晶体是1987年才提出的新概念和新材料 [1,2]。

这种材料有一个显著的特点是它可以如人所愿地控制光子的运动 [3-5]。

由于其独特的特性，光子晶体可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光学器件，在光通讯上也有重要的用途，如用光子晶体器件来替代传统的电子器件，信息通讯的速度快得无法想象。

1.2.光子晶体简介3.众所周知，电子在周期势场中传播时，由于电子波会受到周期势场的布拉格散射，会形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。

电子波的能量如果落在带隙中，传播是禁止的。

其实，不管任何波，只要受到周期性调制，都有能带结构，也都有可能出现带隙。

能量落在带隙中的波是不能传播的。

电磁波或者光波也不会例外。

不过人们真正清楚其物理含义已经是八十年代末了。

1987年Yabnolovitch [1]在讨论如何抑制自发辐射时提出了光子晶体这一新概念。

几乎同时，John [2]在讨论光子局域时也独立提出。

光子晶体的结构设计和性能控制研究光子晶体，也称光子带隙材料，是一种具有周期性结构的人造材料，其结构类似于晶体，但其衍射光谱中出现光子带隙，是实现光子学晶体管和光子晶体光纤等光子器件的重要基础材料。

为了实现高效、可控的光子晶体，需要进行光子晶体的结构设计和性能控制研究。

一、光子晶体的结构设计光子晶体的结构设计是实现其性能控制的基础。

目前，有多种方法可用于光子晶体结构的设计。

1. Layer-by-Layer 组装法该方法是将光子晶体结构逐层堆积，每层先制作一种具有周期性结构的薄膜，再将薄膜依次堆积形成光子晶体。

这种方法可以精确控制光子晶体的厚度和周期，适用于制备光子晶体薄膜和对称性较高的光子晶体。

2. 模板法该方法是以一定的模板作为光子晶体的参照物，使得光子晶体沿着模板所规定的方向形成。

模板可以是各种精细制造的结构，如微球、光刻图形等，该方法可以制造出形状多样的光子晶体，但只能制造规则结构的光子晶体。

3. 形状优化法该方法是通过对光子晶体形状进行优化设计，来达到特定的光学性能。

例如，结构的对称性、形状、大小等会对光的传输特性产生重要影响，通过对形状进行优化设计，可以实现光子晶体的波导、滤波、耦合等各种光学功能。

二、光子晶体的性能控制光子晶体的性能控制是指通过调控其结构，来实现对其光学性能的控制和调节。

光子晶体的性能控制可以从以下几个方面来进行研究。

1. 带隙控制带隙是指光子晶体结构中存在的阻挡光传播的空间范围。

通过调整光子晶体的结构，可以改变光子晶体中的带隙位置和大小，进而控制光的传输特性。

例如，在光子晶体中引入缺陷，可以改变其带隙结构，形成特定的光学功能，如光子晶体滤波器、光泵浦激光等。

2. 光学模式调节在晶体中，光学模式可以通过晶格形态、材料性质等多种方式进行调节，其中材料性质的控制是实现光学模式调节的重要手段。

例如，通过改变晶格结构和材料性质来调节聚集态激发子（plasmon）等光学模式，实现光子晶体的聚集态光学响应。