ACS Mater. Lett. | 基于响应性二维有序图案实现动态衍射光栅

英文原题：Realizing Dynamic Diffraction Gratings Based on Light-direct Writing of Responsive 2D Ordered Patterns

通讯作者：姜学松，上海交通大学

作者：Luzhi Zhang (章露枝), Guotao Sun (孙国涛), Jing Bai (白静), Xiaodong Ma (马晓东), Jie Yin (印杰), Qingkang Wang (王庆康) and Xuesong Jiang (姜学松)

衍射光栅是一种重要的光学器件，由于其内部或材料表面具有微/纳米的周期性结构，因此具有分离入射光和改变光的传播方向的能力。目前常用光刻、全息技术等方法来制备衍射光栅，但这样得到的光栅不能被原位调控。而液晶光栅虽能实现原位调控，但液晶分子排列有限，光栅的多样性受到很大的限制。

近日，上海交通大学姜学松团队提出一种利用刺激响应性褶皱制备二维动态光栅的新思路。如图1所示，利用蒽二聚和氢键作用，通过紫外光照形成交联网络，制备二维有序褶皱图案，可作为光栅使用。引入光热转换性能良好的碳纳米管，使图案具备红外响应性，从而实现对光栅的动态调控。

图1. 利用红外响应性有序褶皱图案制备二维动态光栅的策略

褶皱是由于表面应力失稳造成的一种自然现象，具有易于制备、动态可调的特点。多种刺激响应性微纳米褶皱图案已被成功制备，但此类图案不能做到严格有序，不满足光栅对结构的高要求。而该团队发现一种梯度交联的模型，可以使应力释放得到控制，从而实现制备严格有序的二维图案。这种方法具有普适性(图2)，不受尺寸、图形的限制，成功制备出多种连续/不连续的微纳米图案，且图案保持很高的精密度，可以作为光栅使用。

图2. 二维有序褶皱图案及相应的衍射图案

研究人员还发现，图案的振幅会受光照时间影响(图3)。光照时间越长，上层的交联程度越高，模量越大，褶皱的振幅也越大。同时，随着振幅的增加，肉眼可见的衍射图案的级次也越多。这是由于振幅的增加使光的能量分布到更高的衍射级次上，与计算模拟数据相符。

图3. 褶皱振幅与衍射图案随光照时间的变化

在体系中加入微量碳纳米管，碳纳米管能吸收近红外辐射的能量并转化为热(图4)。聚合物薄膜发生热膨胀，褶皱振幅不断下降，最后褶皱图案被擦除。停止近红外光照射后，聚合物薄膜慢慢冷却收缩，褶皱图案恢复如初。在这个过程中，衍射图案也随之变化，衍射级次随图案的擦除而减少，又随图案的恢复而增加，表明成功实现对二维光栅的动态调控。

图4. 褶皱图案及其衍射图案的红外响应性

由于该交联体系建立在蒽二聚及氢键的基础上，因此这种图案还具备光擦写性及红外修复性能(图5)。将制得的样品置于高温下，蒽的二聚体发生解聚，交联网络被破坏，图案被擦除，随后可以通过再次光照形成新的图案。当图案破损时，对受损部位进行红外辐射。在较高的温度下，氢键发生重排，聚合物分子链开始运动，达到新的动力学平衡，从而修复受损部位。

图5. 图案的光擦写性及红外修复性能

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ACS Materials Lett.2020, 2, XXX, 1135–1141

Publication Date: August 12, 2020

https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.0c00285

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