光子晶体功能材料具有*特的光学特性，在众多领域拥有巨大的应用前景。《光子晶体功能材料》围绕光子晶体“材料体系”与“应用探索”两大主题，分别介绍了微流控光子晶体、液态胶体光子晶体、空心微球胶体光子晶体、分子刷光子晶体及磁响应胶体光子晶体的制备原理和*特性能，并探讨了光子晶体材料在绿色印刷、光纤、结构色印染、物理传感器和防伪识别领域的*新应用。

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　　第1章 光子晶体基本原理
1.1 光子晶体概述
光子晶体是一门新兴的交叉学科，涉及物理、化学、生物、纳米技术等诸多领域。光子晶体的历史可追溯到20世纪80年代末，1987年美国贝尔实验室的Yablonovitch针对抑制发光物质自发辐射的问题，提出了光子晶体的概念[1]。同年，美国普林斯顿大学的John在研究光子局域时也提出了该概念[2]。早期研究认为，光子晶体是由不同介电常数的材料在空间交替形成周期性结构的人工材料。随着这一学科的发展，光子晶体的概念已发展到准晶光子晶体和非晶光子晶体的研究范围[3，4]。光子晶体理论的建立很大程度上受到固体物理的影响。基于波传播性质上的共性，可从固体晶体的基本理论出发认识光子晶体。
1.1.1 光子晶体与固体晶体的对比
在固体物理中，晶体是由基本单元如原子、离子、分子或原子团等有规则地在空间呈周期性重复排列形成的物体[5，6]。固体物理的一个核心是研究电子在晶体中的传播规律。随着物理学的进步，这些规律已上升到量子力学中“物质波”的层次。在量子力学中，电子已不再是一个简单的颗粒，而是在空间有一定分布的物质波，具有波的特性。电子的波函数满足薛定谔方程，即式（1-1）：
（1-1）
其中，是约化普朗克常量；m是电子静止质量；E是电子能量；是电子的势能；为电子波函数，波函数模的平方代表电子在空间位置出现的概率。从以上方程可知，电子波函数和势能有强烈的依赖关系。真空环境下势能为0，电子波函数的解是平面波，例如，电子双缝干涉实验中存在干涉现象正是电子平面波的证明。
在晶体中，原子或者分子为周期性分布，空间势能也呈空间周期性分布。相应地，电子的波函数则为布洛赫（Bloch）波。Bloch波*明显的特性是具有空间周期平移不变性，这正与周期性的势能相对应。电子Bloch波受周期势能（布拉格散射）的调制作用可形成能带，能带与能带之间则可能存在能量带隙。能量带隙范围内的电子被禁止传递，这为控制电子在晶体中的传输提供了一种非常重要的手段。
电子的能量带隙启发了人们去思考其他类型的波是否也具备带隙的可能。基于波传播的共性，任何类型的波，小到电子的物质波、光子的电磁波，大到宏观的声波、水波、机械弹性波等，在受到周期性势场的调制时，都应有类似于晶体中的能量带隙。光子（电磁波）类比于电子（物质波），周期性的介电常数类比于周期性的势能。当电磁波在光子晶体中传播时，受到周期性介电材料的调制存在光子带隙。光子带隙的性质和电子的能量带隙类似，人们可对电磁波的传播行为进行控制。此外，光子晶体的研究也可应用固体晶体的很多概念[6]，如倒格子、布里渊区、色散关系等。
1.1.2 光子晶体的分类
按照空间周期性的不同，光子晶体可分为一维、二维和三维光子晶体[7]，如图1-1所示。一维光子晶体只在一个方向具有周期性特征，一个典型的例子是法布里-皮罗多层薄膜结构。二维光子晶体在两个方向上有周期性排列结构，第三个方向具有连续平移不变性。三维光子晶体在空间三个维度都有周期性，可全方向控制电磁波。三维光子晶体有多种排列方式，如常见的柴堆结构、金刚石结构等。以上标准分类方式中，光子晶体被认为拓展填充在整个空间。然而，在实际情况下光子晶体在某个维度上的厚度是有限的，因此有光子晶体平板、光子晶体微纳米链条等。
此外，按照长程有序的程度，光子晶体又可分为周期性光子晶体、准晶光子晶体和非晶光子晶体。其中，准晶光子晶体可形成准晶的能带，在微纳光子学中也有较高的研究价值。
1.1.3 光子晶体的主要特征
光子晶体主要有三大特征：光子带隙、光子局域和奇异色散。
（1）光子晶体的主要特征为光子带隙，即频率落在带隙中的电磁波被禁止在光子晶体中传播，光子带隙也被称为光子禁带。光子带隙的性质与光子晶体的周期尺寸、几何结构、介电常数比以及填充率等因素有关。光子带隙可分为全带隙和不完全带隙。全带隙指的是全方位光子带隙，即落在全带隙频率范围内的光波，其任意偏振方向和任意传播方向的形式都被禁止在光子晶体中传播。为了实现全带隙，空间三个方向都需要有周期性调控。严格定义上说，除了三维光子晶体具有全带隙外，一维、二维光子晶体没有全带隙（在无周期性调制的方向无法形成带隙）。对应地，电磁波只在光子晶体的某些特定方向、某个偏振下存在的带隙，被称为不完全带隙。
需要指出是，当我们限制维度讨论带隙时，会有不同结论。对于二维光子晶体，在只考虑具有周期性调制的两个维度的情况下，即电磁波的波矢量（k）落在周期性调制的二维平面，我们又可以说二维光子晶体具有全带隙。光子带隙频率范围内的光子态密度为零，如图1-2所示。当自发辐射的频率落在光子禁带中时，自发辐射会被抑制。
（2）光子晶体的另一个显著特征是光子局域。在完整无缺陷的无限大光子晶体中，不存在光的衰减模式。与半导体相似，如果能合理地引入一些点缺陷或者线缺陷，光子晶体原本的周期和对称结构被破坏，光子禁带中将会出现一些缺陷态。缺陷态具有很高的态密度，并且可将电磁波局限在缺陷的位置及其周围，形成光共振腔或者波导模式。光子晶体光纤就是一个典型的光子局域现象的产物。光子晶体的光子局域特性还可以增强自发辐射，提高光跃迁的效率。此外，在某些介电材料组成的无序晶格中，光子晶体可呈现很强的Anderson局域。
（3）光子晶体的奇异色散也是一个非常重要的特征。该特征主要针对光子晶体带隙之外的模式。色散（也称为光子能带）是指电磁波波矢量（k）和角频率的依赖关系。色散关系是研究电磁波的传播、干涉、衍射等现象时的一种重要手段。电磁波在均匀介质中的色散关系相对简单，主要取决于材料的折射率。而在周期性调制作用下，电磁波在光子晶体中具有非常丰富的色散，如强烈的空间色散和频率色散、平坦色散、负相速度等。基于这些奇特色散，光子晶体可突破传统材料的局限，实现新型的光学操控，如负折射、超棱镜、自准直、慢光等。
1.1.4 自然界中的光子晶体
光子晶体结构广泛存在于自然界中[8-10]，如图1-3所示。研究发现，自然界的结构色现象就是来源于天然的光子晶体。由于周期性的调制，光子晶体微纳结构对光的干涉、衍射及散射等，可引起特殊的颜色形成。例如，一些有蓝色艳丽翅膀的蝴蝶，其色彩的形成机理来源于蝴蝶翅膀上“类圣诞树”的微纳结构。孔雀羽毛的颜色来源于周期性二维孔状微纳结构，该结构形成的颜色会随不同观察角度而发生变化，这也和光子晶体的不完全带隙密切相关。此外，盛产于澳大利亚的一种蛋白石，其色彩斑斓的颜色来源于周期性二氧化硅纳米球。光子晶体结构色具有高亮度、高色彩饱和度、不褪色和环境友好等优异特性，在未来工业染色领域具有广阔的应用前景。
1.2 光子晶体的基本理论
光子晶体研究中一大任务是理论计算光子晶体的能带结构和能量带隙。为实现这个计算任务，我们需要了解倒空间和**布里渊区的概念，以及周期性电磁波的波动方程。
1.2.1 倒空间与**布里渊区
倒空间和实空间是认识光子晶体的两种不同角度。光子晶体的能带结构指的是能量（或频率）与倒空间特殊k点的函数关系，而不是实空间位置的函数。值得一提的是，倒空间和实空间互为傅里叶变换关系，例如，周期性实空间的衍射斑点对应于倒空间的格点。在定义倒空间之前，我们需要获得实空间光子晶体的基本信息。
在实空间中，光子晶体可通过基元、格点、原胞等固体物理的概念描述[5，6]。基元是构成光子晶体的基本单元，格点是基元在晶格中选定的位置（如重心）代表。格点和它们之间的间距所形成的空间点阵称为晶格，而晶格的*小周期单位为原胞。整个光子晶体可看作是一个原胞沿着三个方向重复排列而构成。
光子晶体*基本的特征是具有空间周期平移不变性。在光子晶体的晶格中，存在a1、a2、a3矢量代表的空间3个方向上的*小平移距离，称为格子的基矢（basis vector）。光子晶体中的任意格点坐标是这些基矢的整数倍，且格点按照基矢进行的平移操作具有不变性。为研究方便，人们通常引入一组与基矢正交的矢量，即倒格子矢量（简称倒格矢），用b1、b2、b3表示，且基矢与倒格矢的关系可用式（1-2）描述：
（1-2）
其中，是克罗内克δ（Kronecker delta）函数，倒格矢可由式（1-3）表示：
（1-3）
由倒格子构成的空间被称为倒空间，该空间存在的倒格矢可由式（1-4）表示：
（1-4）
以上实空间的基矢和倒空间的倒格矢指三维空间的情况，故有三个分量。对于一维光子晶体、二维光子晶体来说，基矢和倒格矢的分量分别只有一个、两个就足够描述整个体系的晶格。定义倒格矢在固体物理和光子晶体中均有重要的意义。例如，当电磁波由均匀介质入射到光子晶体表面，或者电磁波在光子晶体中传播时，电磁波会受到周期性结构的散射。该散射会给原先的电磁波提供额外的动量，基于光子晶体周期平移不变性，该额外的动量对应于倒格矢的大小。
在定义倒空间后，我们需要定义布里渊区[5，6]。布里渊区是倒空间中以原点为中心的部分区域。在倒格矢中以某个格点为坐标原点，并作所有倒格矢的垂直平分面（二维情况为垂直平分线），倒空间被这些平分面离散分割为不同区域，其中*靠近原点的平面所围成的区域被称为**布里渊区。
在特殊对称情况下（如旋转和镜面对称），**布里渊区可以进一步简化到不可约布里渊区。定量计算光子晶体能带结构和能量带隙的过程中，不需要计算所有的k。根据对称性，只需知道不可约布里渊区的能带结构，即本征频率随k沿着对称点的变化，可得到能带与带隙的主要关键信息。
1.2.2 光子晶体**布里渊区的几个例子
一维光子晶体的晶格点阵如图1-4所示。以某一个晶格的坐标为原点，实空间下的基矢为a，倒空间的倒格矢为。通过分割操作可知，一维光子晶体的**布里渊区的取值范围为，而不可约布里渊区则为。在一维光子晶体的能带图中，取的正是该**布里渊区的ω-k函数关系。
与二维固体晶体类似，二维光子晶体存在5种不同的基矢类型，如长方晶系、正方晶系、三角晶系等。图1-5展示了二维正方格子空间点阵示意图。假定光子晶体的介质柱子沿着z方向无限伸展，两个基矢a1、a2分别沿着x轴和y轴，且。相应地，倒空间中的格矢也为正方格子，且基矢为：。从图中可见，光子晶体的**布里渊区为正方形，而不可约布里渊区则是一个三角形，其中三个对称点Γ、X和M代表三角形的三个顶点，分别对应着和。在光子晶体能带中，主要关注的正是波矢量沿特殊方向ΓX、XM的色散关系。

目录
《纳米科学与技术》丛书序
前言
第1章 光子晶体基本原理 1
1.1 光子晶体概述 1
1.1.1 光子晶体与固体晶体的对比 1
1.1.2 光子晶体的分类 2
1.1.3 光子晶体的主要特征 3
1.1.4 自然界中的光子晶体 4
1.2 光子晶体的基本理论 5
1.2.1 倒空间与**布里渊区 5
1.2.2 光子晶体**布里渊区的几个例子 6
1.2.3 周期结构下的电磁波波动方程 8
1.3 光子晶体的能带图 9
1.3.1 一维光子晶体 9
1.3.2 二维光子晶体 12
1.3.3 三维光子晶体 14
1.4 光子带隙中的缺陷态 16
1.5 平板光子晶体 17
1.5.1 平板光子晶体能带图 17
1.5.2 平板光子晶体的束缚态 19
1.5.3 金属平板光子晶体 22
1.6 光子晶体的光控制 23
1.6.1 等频图 23
1.6.2 根据等频图判断反射、折射现象 24
1.6.3 超棱镜 25
1.6.4 光子晶体与零折射率 25
1.6.5 光子晶体与涡旋光束 26
参考文献 27
第2章 微流控芯片中的光子晶体 30
2.1 引言 30
2.2 微流控技术 30
2.2.1 胶体光子晶体与液滴微流控芯片 31
2.2.2 构筑液滴微流控芯片的材料 31
2.2.3 液滴微流控芯片的制备 33
2.3 微流控液滴 35
2.3.1 微尺寸多相流液滴动力学基本原理 35
2.3.2 微液滴发生装置 37
2.3.3 液滴生成方式 39
2.3.4 液滴的操纵 41
2.4 基于微流体的光子晶体微球 42
2.4.1 球形光子晶体微球 43
2.4.2 Janus和多组分结构光子晶体微球 47
2.4.3 核壳结构光子晶体微球 49
2.5 光子晶体微球的应用 50
2.5.1 显示领域 50
2.5.2 传感领域 52
2.5.3 编码 54
2.5.4 细胞载体 55
参考文献 56
第3章 液态胶体光子晶体 60
3.1 引言 60
3.2 液态胶体光子晶体的制备方法 62
3.2.1 静置析出法 62
3.2.2 挥发驱动过饱和析出法 63
3.2.3 萃取驱动过饱和析出法 65
3.2.4 电场驱动过饱和析出法 66
3.3 外场响应的液态胶体光子晶体 67
3.3.1 电场响应的液态胶体晶 67
3.3.2 磁场响应的液态胶体晶 69
3.4 面向传感检测的液态胶体光子晶体 71
3.4.1 基于液态胶体晶的物理传感器 71
3.4.2 基于液态胶体晶的化学传感器 73
3.5 液态胶体光子晶体的转化与利用 74
3.5.1 转化为固态光子晶体薄膜 74
3.5.2 转化为光子晶体凝胶 79
3.5.3 转化为光子晶体微球 80
参考文献 82
第4章 空心微球胶体光子晶体 84
4.1 引言 84
4.2 空心微球的合成及组装 88
4.2.1 空心微球的合成方法 88
4.2.2 胶体光子晶体自组装方法 89
4.3 空心微球胶体光子晶体的应用 91
4.3.1 缺陷态模式的胶体光子晶体及缺陷态模式激光 91
4.3.2 亲疏水图案化空心微球胶体光子晶体 94
4.3.3 基于空心微球胶体光子晶体的选择性蒸气传感器 99
4.3.4 基于空心微球的高机械强度、超稳定带隙光子晶体 100
4.4 空心微球在光学中的其他应用 102
4.4.1 基于空心微球中的回音壁振荡模式增强光吸收效率 102
4.4.2 基于空心微球的Mie散射效应 103
4.4.3 基于空心微球的抗反射涂层 104
4.5 总结与展望 104
参考文献 105
第5章 分子刷嵌段共聚物自组装光子晶体材料 112
5.1 分子刷嵌段共聚物简介 112
5.2 光子晶体构筑 114
5.2.1 分子刷本体组装光子晶体 114
5.2.2 分子刷配方光子晶体 117
5.2.3 分子刷纳米杂化光子晶体 120
5.2.4 光子晶体颜料 124
5.2.5 响应型光子晶体 129
5.3 总结与展望 131
参考文献 132
第6章 磁响应胶体光子晶体 135
6.1 引言 135
6.2 磁控组装的机理 136
6.3 基于磁性胶粒的磁响应光子晶体 137
6.4 基于非磁性胶体粒子的磁控组装 143
6.5 磁响应光子晶体的应用 144
6.5.1 磁致变色硅橡胶薄膜 144
6.5.2 磁控结构色打印 145
6.5.3 磁控可旋转光子晶体 146
6.6 总结与展望 147
参考文献 148
第7章 绿色印刷光子晶体 150
7.1 引言 150
7.2 喷墨印刷光子晶体 150
7.2.1 “咖啡环”效应 151
7.2.2 喷墨印刷材料的影响 154
7.2.3 基材浸润性的影响 158
7.2.4 其他因素的影响 163
7.3 模板印刷光子晶体图案 164
7.4 光子晶体图案的应用 164
参考文献 173
第8章 光子晶体纤维 178
8.1 引言 178
8.2 光子晶体结构色纤维的制备方法 179
8.2.1 基于薄膜干涉原理制备 179
8.2.2 微通道自组装法 180
8.2.3 电泳沉积法 181
8.2.4 静电纺丝法 182
8.2.5 微型挤出法 182
8.3 光子晶体结构色纤维的表征方法 183
8.4 光子晶体光纤 184
8.4.1 无机光子晶体光纤 184
8.4.2 聚合物光子晶体光纤 185
8.5 基于光子晶体纤维的功能器件 186
8.5.1 能源器件电极用光子晶体纤维 186
8.5.2 发光器件用光子晶体纤维 187
8.5.3 纤维状变色传感器件 189
8.6 光子晶体结构色纤维的其他应用 190
8.6.1 纤维材料上的结构生色 190
8.6.2 具有刺激响应性的结构色纤维 192
8.6.3 结构色纤维织物 197
8.7 总结与展望 198
参考文献 198
第9章 光子晶体在纺织印染中的应用 201
9.1 引言 201
9.2 光子晶体结构色纤维的制备 201
9.2.1 电泳沉积法制备结构色纤维 201
9.2.2 浸渍提拉辅助法制备结构色纤维 204
9.3 光子晶体在结构色纺织品中的应用 206
9.3.1 重力沉降法制备结构色纺织品 206
9.3.2 垂直沉积法制备结构色纺织品 208
9.3.3 界面转印制备结构色纺织品 210
9.3.4 喷涂准晶制备结构色纺织品 211
9.3.5 喷墨打印制备结构色纺织品 213
9.4 稳定增强型光子晶体结构色纤维与纺织品 216
9.4.1 挤塑方式制备结构色纤维 217
9.4.2 静电纺丝制备结构色纤维 217
9.4.3 溶液纺丝制备结构色纤维 218
9.4.4 热压印制备结构色纤维 218
9.4.5 原子层沉积制备结构色纤维 219
9.4.6 黏结增强结构色纺织品 222
9.5 总结与展望 224
参考文献 224
第10章 光子晶体物理传感器 227
10.1 引言 227
10.2 自然界中的响应型光子晶体 227
10.2.1 自然界中的光子晶体 227
10.2.2 自然界光子晶体的动态结构色响应 228
10.3 构筑光子晶体传感器的响应型材料 230
10.4 光子晶体传感器的工作原理 232
10.5 几种典型的物理传感器 233
10.5.1 机械力传感器 233
10.5.2 温度传感器 238
10.5.3 磁场传感器 242
10.5.4 黏度传感器 243
10.5.5 介孔传感器 245
10.6 总结与展望 246
参考文献 247
第11章 光子晶体防伪材料 251
11.1 面向结构色防伪的光子晶体材料 251
11.2 光子晶体图案的印刷方法 252
11.2.1 喷墨印刷光子晶体图案 252
11.2.2 压印光子晶体图案 254
11.2.3 浸润调变光禁带打印光子晶体图案 255
11.2.4 电磁响应偶联光固化打印光子晶体图案 256
11.3 具有角度变色效应的光子晶体防伪材料 257
11.3.1 基于一维磁响应光子晶体的角度变色材料 257
11.3.2 基于蛋白石结构的角度变色材料 259
11.3.3 基于反蛋白石结构的角度变色材料 260
11.4 具有外场响应特性的动态结构色防伪材料 261
11.4.1 溶剂浸润显现的隐形图案 261
11.4.2 气体响应的光子晶体图案 264
11.4.3 温度响应的光子晶体图案 266
11.4.4 磁场作用显现的隐形图案 267
11.4.5 形变显现的隐形图案 269
11.5 总结与展望 270
参考文献 272