Fabrication of colloidal photonic crystals via Langmuir Blodgett technique and their integration of polymer matrix

Abstract

Colloidal films have potential uses in various fields such as photonics, electronics, sensors, membrane filters, and surface devices owing to their unique optical properties. Photonic crystals composed of uniform diameter colloidal silica particles have been arranged in a periodic structure by taking inspiration from nature. The periodic structure of silica particles has physical interaction with light in a visible range. This special interaction is known as structural coloration. The close-packed monolayers and multilayers of colloidal silica particles in large area can be produced by using Langmuir Blodgett method. The integration of these photonic films with transparent polymer matrices having an elastomer feature provides for their use in optical sensor applications. In this thesis, we examined the fabrication of mechano-sensitive nanostructured films based on colloidal particles. Silica colloidal particles were synthesized at different sizes by using Stöber Process. Langmuir-Blodgett deposition was used to create three-layer of photonic crystal films with different particle diameters. For this purpose, various substrates were examined for the Langmuir Blodgett deposition process before starting the coating. The coated silica particles on the glass substrate were then embedded in an elastomeric transparent matrix. The generation of structural coloration after stretching was examined in manufactured elastomer films. In accordance with this purpose, various polymers such as acrylates and siloxanes with elastomer properties have been used. The structural characterization of these composite films and their optical properties were summarized in this thesis.

Kolloidal filmler, benzersiz optik özelliklerinden dolayı fotonik, elektronik, sensörler, membran filtreler ve yüzey cihazları gibi potansiyel uygulama alanlarına sahiptirler. Özdeş boyutlara sahip kolloidal silika parçacıklarından oluşan fotonik kristaller, doğadan ilham alınarak periyodik bir yapıda düzenlenmişlerdir. Silika parçacıklarının periyodik yapısı, görünür bölgede ışıkla fiziksel bir etkileşime sahiptir. Bu özel etkileşim yapısal renklendirme olarak bilinir. Langmuir Blodgett yöntemi kullanılarak büyük ölçüde sıkı paketlenmiş tek katmanlı ve çok katmanlı kolloidal silika parçacıkları üretilebilir. Bu fotonik filmlerin elastomer özelliğe sahip polimer matrisler ile entegrasyonları, optik sensör uygulamalarında kullanılmalarını sağlar. Bu tezde, kolloidal nanoparçacıklara dayalı, mekanik etkiye duyarlı nanoyapılı filmleri inceledik. Farklı boyutlara sahip silika parçacıkları Stöber prosesi kullanılarak sentezlendi. Farklı parçacık boyutlarına sahip üç katmanlı fotonik kristal filmleri oluşturmak için Langmuir Blodgett tekniği kullanıldı. Bu amaçla, kaplamaya başlamadan önce Langmuir Blodgett biriktirme işlemi için farklı alt taşlar incelendi. Daha sonra, cam alt taş üzerine kaplanan silica parçacıkları elastomerik şeffaf bir matris içerisine gömüldü. Germe sonrası yapısal renklenmenin oluşumu, üretilen elastomer filmlerde incelendi. Bu amaç doğrultusunda, elastomer özelliklliğe sahip akrilatlar ve siloksanlar gibi çeşitli polimerik malzemeler denendiler. Bu kompozit filmlerin yapısal detayları ve optik özellikleri bu tezde özetlendi