ZIF-8光子晶体的制备及其光学传感性能研究

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光子晶体是由两种或者两种以上不同介电常数的物质在空间周期性排列而成的一类新型光学材料。由于光子晶体具有光子禁带这一重要特性,因此其在光子晶体传感器、太阳能电池和光学显示器件等领域都具有广泛应用。传统的光子晶体传感器主要存在如下问题:(1)制备时需要引入功能材料,导致其结构稳定性较差;(2)难以实现折射率相似以及化学性质相似物质的区分;(3)难以实现对于不同分子尺寸物质之间的区分。MOFs作为一种新型多孔材料,具有高的比表面积,大的孔道率以及可调的孔道结构等特点。本文将MOFs材料应用于光子晶体传感器,利用MOFs自身具有的孔道,实现传统光子晶体传感器不能实现的分子尺寸性的选择以及折射率相近物质的区分,同时能够实现常见有机物质的可视化检测。本文通过表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的调节,制备出粒径在120 nm~270 nm之间,形貌规则的ZIF-8。接下来对组装条件进行优化,得到最优的组装工艺。在简单滴涂的基础上,将ZIF-8分散在不同配比的混合溶液中,根据接触角以及反射光谱得到最佳分散溶液的比例为水:乙醇=1:1。在玻璃片上固化一层PDMS以增强样品与基底之间的结合力。组装温度优化为60℃,制备出一系列具有不同结构色光子晶体。随后,利用自行搭建的装置测试光子晶体传感器对于烷烃、苯类、醇类蒸气的响应,获得光子晶体反射峰位以及恢复时间的变化情况。结果表明尺寸大于ZIF-8孔道的分子造成的反射峰移动在10 nm以下,可以进入ZIF-8孔道的分子造成的反射峰移动在30 nm以上。故光子晶体具有区分不同尺寸分子的能力,根据反射峰位恢复时间的不同,能够实现折射率相近物质的区分。除此之外,实验制备的光子晶体传感器能够实现可视化检测,并且具有不错的循环稳定性。为研究其他MOFs是否也能组装为光子晶体,合成另一种MOFs材料(UiO-66),探究了乙酸浓度以及原料液浓度对于UiO-66形貌与粒径的影响,实验发现乙酸最佳添加量为2.8 mol/L,同时UiO-66的粒径随二者浓度的升高而降低。采用ZIF-8的组装工艺成功地将UiO-66组装为光子晶体,这拓宽了MOFs光子晶体的研究思路与应用前景。
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