Designed functional defects in colloidal photonic crystals: switching, biomonitoring and modified photoluminescence

Abstract

Es werden zwei komplementäre "bottom-up" Methoden präsentiert, die den kontrollierten Einbau von "intelligenten" planaren Defekten in selbstorganisierte kolloidale photonische Kristalle (KPKs) ermöglichen. Die Defektschicht basiert auf einem funktionellen, nanometer-skalierten dünnen Film, der entweder durch schichtweise ("layer-by-layer") Selbstorganisation und Mikrokontakttransferübertragung oder durch Aufschleudern und einer KPK-Opferfüllung hergestellt wird. Die entwickelten Techniken gestatten die Integration von maßgeschneiderten dünnen Defektfilmen bestehend aus einer enorm großen Vielfalt an Materialien; sie sind kostengünstig und können im größeren Maßstab angewendet werden. Optische Untersuchungen zeigen einen engen, durch den Defekt hervorgerufenen Transmissionszustand in der photonischen Bandlücke. Die Defektwellenlänge hängt von der optischen Dicke der Defektschicht ab. Aktives Schalten der Defektwellenlänge wird erreicht, indem Defektschichten aus Makromolekülen hergestellt werden, die über externe Erreger wie Licht, Temperatur, Redoxzyklen und mechanischen Druck adressiert werden können. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind im Einklang mit separat durchgeführten Ellipsometrie-Messungen und theoretischen "scalar wave approximation"-Berechnungen. Darüber hinaus werden KPKs mit funktionellen biomolekularen Defekten vorgestellt. Über Verschiebungen der Defektmode können DNA-Konformationsänderungen, die enantioselektive Einlagerung eines chiralen Antitumormedikaments sowie Enzymaktivitäten optisch beobachtet werden. Die Einlagerung von fluoreszierenden Farbstoffen und Quantenpunkten in Defekt-KPKs führt zu einer eindeutigen, durch die photonische Bandlücke und den Defektzustand hervorgerufenen Modifizierung der Photolumineszenz (PL)-Spektren. Schaltbare PL-Modifizierungen werden detektiert, wenn adressierbare Defekt-KPKs verwendet werden.

Two complementary bottom-up approaches are presented for the controlled incorporation of "smart" planar defects into self-assembled colloidal photonic crystals (CPCs). The defect layer is based on a functional nanometer scaled thin film that is either prepared by layer-by-layer self-assembly and microcontact transfer printing or by spin-coating and sacrificial CPC infiltration. The developed methods allow for the integration of designed defect thin films from a huge variety of chemically diverse materials and can be employed at low-cost and large-scale. Optical spectra show a sharp transmission state within the photonic stop band, induced by the defect. The position of the defect wavelength is dependent on the optical thickness of the defect layer. Active tuning of the intragap defect state is performed by preparing defect layers from macromolecules responsive to external stimuli such as light, temperature, redox-cycling and mechanical pressure. The studies are supported by independently performed ellipsometry measurements and theoretical scalar wave approximation calculations. In addition, CPCs with functional biomolecular planar defects are presented. Through shifts of the defect mode, DNA conformational changes, the enantioselective intercalation of a chiral anti-cancer drug and enzyme activities are optically monitored. Incorporation of fluorescent dyes and quantum dots into defect CPCs leads to a clear modification of the photoluminescence (PL) spectra by photonic stopband and defect state. Switchable PL modification is detected when employing addressable defect CPCs.