一维光子晶体高阶反射实现独特色彩显示及其在高级防伪应用中的突破性研究

这篇研究开发了具有湿度响应特性的一维光子晶体（1D PC）薄膜，通过调控层厚实现了2nd/3rd阶光子禁带（PSBs）的多波长反射，首次在单一薄膜中通过红（2nd阶）与蓝（3rd阶）反射叠加产生品红色复合光。该技术突破了传统1D PC的1st阶响应局限，为防伪标签（如呼吸显影图案）和比色传感提供了创新解决方案。

　　

Abstract

研究团队开发了基于交替沉积光交联聚（2-乙烯基萘-co-苯甲酮丙烯酸酯）（p(2VN-co-BPA)）与52%季铵化聚（4-乙烯基吡啶-co-苯甲酮丙烯酸酯）（P4QP-52%）的一维光子晶体（1D PC）薄膜。通过精确调控P4QP-52%层厚度（77-226 nm），首次在湿度刺激下同时激发1^st-3^rd阶光子禁带（PSBs），其中2^nd阶（红）与3^rd阶（蓝）反射叠加形成肉眼可见的品红色复合光。薄膜在30%-95%相对湿度（RH）范围内呈现动态色彩转换，反射波长偏移量最高达149 nm（F4样品）。

1 Introduction

光子晶体（PCs）因其周期性介电结构的光调控能力，在传感与显示领域备受关注。传统研究多聚焦1^st阶PSBs，而高阶反射（尤其湿度响应型）因层厚控制难题鲜有突破。本研究通过优化旋涂浓度（P4QP-52% 1.7%-4.7%梯度），实现2^nd/3^rd阶PSBs的精准调控，折射率差（Δn=0.05-0.08）与溶胀效应协同驱动多波长反射。

2 Results and Discussion

光学性能调控

椭圆偏振仪显示P1层折射率1.64，P2层随浓度增至1.59（图1b）。STEM证实10层薄膜（F1）呈现62 nm P1与65 nm P2的交替层状结构（图2b）。理论计算（公式1-2）与实验数据高度吻合：F11样品在30% RH下1^st阶λ_max达999 nm，3^rd阶首次观测到365 nm反射（表1）。

湿度响应机制

低厚度薄膜（F1-F4）仅显示1^st阶色彩转换（绿→红），而F5-F8出现2^nd阶反射（蓝→绿）。DRS分析证实F5的2^nd阶PSB在90% RH偏移73 nm（图3c）。高厚度样品（F9-F11）在95% RH时，2^nd阶（682 nm）与3^rd阶（466 nm）反射叠加产生品红色，CIE色度图坐标显著偏移（图4b）。

防伪应用验证

通过UV掩模曝光40秒制备花/叶图案薄膜（图5a）。呼吸刺激下，F10薄膜背景区2^nd/3^rd阶PSB分别偏移至691/467 nm，显现品红-红色对比图案（图5d）。该技术可直接转移至药品包装，实现即时显影防伪（图5e）。

3 Conclusion

研究通过层厚精确调控，首次实现湿度驱动的高阶PSBs协同显色，为动态光学材料与多级防伪标签设计提供新范式。未来可拓展至温度/pH多刺激响应系统开发。

（注：全文数据与结论均源自原文，未添加主观推断；专业术语如p(2VN-co-BPA)等均保留原文献命名规则；上标/下标使用^{/_{标签规范呈现）}}