Self-assembled macroporous photonic crystal-based vapor detectors by doctor blade coating

此研究以可捲揚式連續性製程之刮刀塗佈技術，以二氧化矽自組裝製備三維具規則排列孔洞之多孔性乙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯 (ETPTA)高分子薄膜，並於其規則排列孔洞表面塗佈具均一膜厚之甲基丙烯酸-2-羥基乙酯 (HEMA)高分子，以獲多孔性HEMA/ETPTA高分子複合薄膜，且薄膜因具三維規則排列孔洞可繞射特定波長之入射光由於布拉格繞射定律。蒸氣易凝結於多孔性薄膜孔洞使布拉格繞射波峰紅移，實驗發現此高分子複合薄膜所繞射之入射光波長可於短時間隨環境蒸氣壓而改變，並對乙醇蒸氣和水蒸氣具區別性，且所繞射之入射光波長偏移值可以孔洞尺寸與所塗佈HEMA高分子厚度調控，證實此高分子複合薄膜可為蒸氣檢測之用。This research reports a scalable and roll-to-roll doctor blade coating technology for self-assembling silica particles to fabricate flexible self-standing macroporous ethoxylated trimethylol-propane triacrylate (ETPTA) films with crystalline arrays of air cavities. The pores of macroporous films can be coated with 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA) to create HEMA/ETPTA composite macroporous films. The optical measurements and theoretical predications reveal the as-prepared macroporous films exhibit optical diffraction by the three-dimensional ordered air cavities based on the Bragg''s diffractive theory. Capillary condensation of a condensable vapor leads to the redshift of the optical stop bands, which demonstrates vapor detection is enabled by the as-prepared macroporous composite films. Besides, this research further reveals that the extent of redshift increases with the thickness of coated HEMA film and the pore size of the macroporous films.中文摘要 i Abstract ii 目錄 iii 示意圖目錄 vi 圖目錄 vii 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機 2 1.3 研究目的與方法 2 1.4 研究架構與流程 4 第二章 文獻回顧 8 2.1 二氧化矽粒子合成 8 2.2 光子晶體製程相關文獻 10 2.2.1 由上至下製程 10 2.2.2 由下至上製程 14 2.3 刮刀塗佈相關文獻 17 2.4 光子晶體偵測器相關文獻 19 2.4.1 多孔性矽光子晶體薄膜 21 2.4.2 多層光子晶體薄膜 22 2.4.3 膠體光子晶體薄膜 23 2.4.4 反蛋白石膠體光子晶體薄膜 24 第三章 實驗 25 3.1 實驗儀器設備 25 3.2 實驗藥品 26 3.3 實驗步驟 29 第四章 實驗結果與討論 34 4.1 刮刀塗佈技術製備膠體晶體/高分子複合薄膜 34 4.2 刮刀塗佈技術多孔性高分子薄膜於蒸氣檢測 37 4.2.1 多孔性薄膜影像與結構分析 38 4.2.2 多孔性薄膜光學性質分析 39 4.2.3 多孔性薄膜於蒸氣檢測 41 4.3 多孔性HEMA/ETPTA高分子複合薄膜之製備 45 4.3.1 HEMA高分子膨潤試驗 47 4.3.2 多孔性複合薄膜結構分析 49 4.3.3 複合多孔性薄膜於蒸氣檢測 53 4.3.4 複合多孔性薄膜之化學結構分析 59 4.4 具不同厚度HEMA塗佈複合多孔性高分子薄膜之製備 60 4.4.1 不同厚度HEMA塗佈複合多孔性薄膜結構分析 60 4.4.2 不同厚度HEMA塗佈複合多孔性薄膜於蒸氣檢測 66 4.5 具不同孔徑複合多孔性薄膜之製備 70 4.5.1 不同孔徑複合多孔性薄膜結構分析 70 4.5.2 不同孔徑複合多孔性薄膜於蒸氣檢測 74 4.6 複合多孔性薄膜於蒸氣檢測之重現性 82 第五章 結論 83 第六章 參考文獻 8