パッチーなコロイドロッドのフォトニック結晶への自己組織化断層に堅牢になります

ダイヤモンド構造のコロイドフォトニック結晶は、完全なフォトニックバンドギャップ（PBG）をサポートする能力のため、可視光管理へのアプリケーションには非常に人気があります。しかし、自己組織化経路による彼らの実現は、長年の課題です。この課題は、3つの基本的な問題に根ざしています。ダイヤモンドのような構造に組み立てるビルディングブロックの設計、障害に対するPBGの感度、およびPBGが実験的に達成可能な屈折率で開くことを保証します。ここでは、これらの問題に同時に、マルチプロンの計算アプローチを使用して対処します。リバースエンジニアリングを使用して、いわゆる「チャンピオン」フォトニッククリスタルであるロッド接続ダイヤモンド構造（RCD）の設計原理を確立します。デザイナーのトリブロックパッチコロイドロッドの2つの異なる自己組織化ルートを考案します。どちらも、四面体クラスターを介して進行して、RCDに密接に関連する立方体と六角形の多形の混合相を生成します。モンテカルロシミュレーションを使用して、これらのルートがどのようにしてメタステュアブルアモルファス相を回避するかを示します。最後に、両方の多形がスペクトルの重複PBGをサポートすることを示します。重要なことに、これらの多型のランダムに積み重ねられたハイブリッドもPBGを表示し、したがって、スケーラブルな製造方法で多型選択の要件を回避します。

Diamond-structured colloidal photonic crystals are much sought-after for their applications in visible light management because of their ability to support a complete photonic band gap (PBG). However, their realization via self-assembly pathways is a long-standing challenge. This challenge is rooted in three fundamental problems: the design of building blocks that assemble into diamond-like structures, the sensitivity of the PBG to stacking faults, and ensuring that the PBG opens at an experimentally attainable refractive index. Here we address these problems simultaneously using a multipronged computational approach. We use reverse engineering to establish the design principles for the rod-connected diamond structure (RCD), the so-called "champion" photonic crystal. We devise two distinct self-assembly routes for designer triblock patchy colloidal rods, both proceeding via tetrahedral clusters to yield a mixed phase of cubic and hexagonal polymorphs closely related to RCD. We use Monte Carlo simulations to show how these routes avoid a metastable amorphous phase. Finally, we show that both the polymorphs support spectrally overlapping PBGs. Importantly, randomly stacked hybrids of these polymorphs also display PBGs, thus circumventing the requirement of polymorph selection in a scalable fabrication method.