具有蝶翅减反射准周期性微纳结构的功能材料制备及性能研究

发布时间：2019-07-23 20:03

【摘要】：金属、金属与半导体耦合(金属/半导体)的功能材料为当今材料研究的前沿热点,并广泛应用于光吸收、光探测、光波导、光热转换、光电转换、光催化、生物标记、医学成像、气敏探测等领域。目前,材料成分与功能结构耦合的研究为功能材料性能的优化、扩展、革新提供了新的思路和途径。自然界中生物体优异的结构与成分一体化设计,为材料成分与功能结构耦合的设计研究提供了启迪。生物体为了生存、繁衍,经过亿万年的进化,具有复杂的多维分级精细功能结构,这些精细功能结构与生物体相应成分耦合,实现了材料与结构的一体化,使生物体拥有优异的力学、热学、光学、电学、磁学等功能特性。蝴蝶正是这种材料与精细功能结构耦合实现各种优异性能的典型实例,有自然界的精灵之称。蝶翅复杂的多维分级精细结构使蝴蝶成为自然界最绚丽多彩的物种之一。其中,具有减反射准周期性微纳结构的黑色蝶翅,拥有优异的光吸收、光热转换特性。通过吸收太阳能及光热转换,来实现自加热过程,提供生存所需的热量。启迪于自然,借鉴自然界具有优异特性的精细功能结构,实现金属、金属/半导体与精细功能结构耦合,优化、扩展、革新金属、金属/半导体材料的功能特性。然而受目前科学技术的限制,很难直接制备具有三维复杂多级精细结构的金属、金属/半导体功能材料,从而制约了金属、金属/半导体功能材料性能的扩展、优化,及其在光学、热学、电学、磁学、化学、生物学、医学等领域的进一步应用;并限制了人们对金属与半导体功能材料之间的耦合效应的系统研究;此外,还制约了金属、金属/半导体与其三维复杂多级精细结构的一体化效应的系统研究。因此,当今迫切需要开发一种简捷、通用的制备方法来制备具有三维复杂多级精细结构的金属、金属/半导体功能材料,从而实现材料性能的优化、扩展及革新;并探究材料之间的耦合效应及材料与结构一体化对功能材料性能的影响。本研究为了解决具有精细功能结构的金属、金属/半导体功能材料的制备及性能研究所面临的技术及科学问题,通过“师法自然”,从自然界获取灵感,以自然界中某些具有三维复杂多级精细结构的蝶翅为模板结合化学合成技术来实现具有三维复杂多级精细结构的金属、金属/半导体功能材料的制备。并且通过对已有的纳米材料合成技术及仿生遗态材料制备技术的再设计,制备了具有蝶翅三维复杂多级精细结构特性的碳基金属、金属/半导体功能材料。揭示了金属纳米颗粒的等离子体与蝶翅减反射准周期性微纳结构(aqps)之间的耦合效应与光吸收之间的内在联系。研究了金属与半导体的耦合并与蝶翅aqps相结合进一步加强宽波段红外光吸收及红外光热转换效应。结合实验及物理建模综合分析了金属等离子效应与aqps耦合,及金属/半导体与aqps一体化效应加强红外光吸收及光热转换机制。基于以上红外光响应机制及等离子体光热转换机制的研究,制备了具有优异的红外光热致磁变性能的磁性、等离子体一体化碳基镍“蝶翅”。把光磁响应扩展到了红外波段,并研究了红外光热致磁变机制。本研究主要内容及结果如下:1.对比研究金、银、铜纳米颗粒的等离子体效应与两种均具有吸光特性的蝶翅aqps的耦合加强宽波段红外光吸收。从而为吸光蝶翅模板的选择提供了指导。优化模板成分,制备了碳基银“蝶翅”实现了等离子体振荡、近邻等离子体振荡相互作用与碳基aqps的耦合,从而具有优异的宽波段红外吸收性能。揭示金属纳米颗粒与蝶翅三维分级精细结构耦合与光吸收之间的内在联系,即金属纳米颗粒等离子体效应及近邻等离子体相互作用加强入射光波电磁场在等离子体表面和近邻等离子体之间聚集放大;同时,等离子体效应和近邻等离子体相互作用与aqps耦合,使入射光波电磁场在aqps表面聚集放大,促进宽波段红外光吸收。并提出了金属等离子体效应及等离子体近邻效应与减反射周期性分级微纳结构耦合加强宽波段红外光吸收这一宽波段红外光吸收机制。2.研究了金属、半导体的耦合,金属/半导体耦合纳米颗粒与蝶翅aqps一体化的耦合机制和红外光吸收、红外光热转换及太阳能光热转换特性。在宏观厘米尺度下制备了具有aqps的金属/半导体(au-cus)耦合的功能材料。所制备的金属/半导体耦合的功能材料具有优异的宽波段光吸收性能和低反射特性;特别在近红外波段,具有优异的宽波段红外吸收特性,甚至在中红外波段也有加强的光吸收性能。由于其结合了优异的光吸收aqps(物理因子)和优异的红外光吸收和光热转换材料(化学因子),使的所制备的金属/半导体耦合的功能材料具有优异的红外光热转换效率(30.56%);并且在热发射比小于0.600的情况下(仅为0.566)实现了太阳光吸收比的突破,达到了98%。同时,在低温工作区域(t60oc),所制备的金属/半导体耦合的功能材料还表现出了优异的太阳能光热转换性能。从而为红外光应用、太阳能光热转换提供了一条全新的指导路径,并且有望应用于光电、光热电、热光电、红外成像等领域。3.提出了等离子体-激子/等离子体耦合效应和近邻等离子体振荡相互作用与aqps耦合加强宽波段红外吸收这一理论机制,并通过实验分析和FDTD计算模拟证明了所提出的加强宽波段红外光吸收机制。同时,结合FDTD计算模拟与焦耳效应对金属/半导体功能材料光热转换进行了计算模拟,发现热源产生于光热转换材料(Au纳米颗粒和Cu S纳米颗粒),并且在两个近邻等离子体区域,其热源密度更强。从而说明了近邻等离子体振荡系统的耦合效应增强热能产生。提出了近邻等离子体耦合效应增强光热转换促进热能产生这一增强热能产生机制。该研究对今后的宽波段红外吸收、红外光热转换及太阳能光热转换材料的开发、设计具有理论指导意义。4.基于以上红外光吸收及光热转换机制的研究,本研究制备了具有AQPS的碳基磁性-等离子体一体化功能薄膜材料。其耦合了磁性镍纳米颗粒的等离子体光热转换、AQPS光吸收结构及碳基红外光吸收与光热转换材料,从而表现出优异的红外光热转换性能及红外光热致磁变性能。揭示了磁性-等离子体一体化与碳基减反射周期性微纳结构的耦合。红外光热效应使碳基磁性-等离子体一体化功能薄膜材料的温度升高,磁性原子之间的距离增大,磁性原子之间的交互相互作用降低;与此同时,热运动破坏了原子磁矩的规则取向,降低自发磁化强度,从而导致磁性能变化。本研究将光磁效应扩展到了红外光波段。本研究将对当今材料设计要求多层次多维数乃至结构功能一体化具有重要意义,为今后等离子体、等离子体与半导体耦合的功能器件的设计、制备及结构与材质的耦合一体化效应的研究提供了重要的研究手段、方法支撑、理论设计依据和使用途径,为具有三维分级精细结构的金属、金属/半导体功能材料的设计和构筑提供全新的指导思想和设计理念。
【图文】：

图 1-1 两种不同类型的表面等离子体：(a)位于金属与介质界面的表面等离子激源；(b)被光激发的金属纳米颗粒表明的局域等离子体[32]，(c)不同形貌的金纳米颗粒表面等离子体加强电场[34]Fig. 1-1 Different types of surface plasmons: (a) surface plasmon polaritons at a metal-dielectricinterface and (b) localized surface plasmons on a metal nanoparticle excited by free-space light[32], (clogarithmic-scale electric field intensity enhancement contours of differently shaped Au nanocrystalsThe nanosphere (top) has a diameter of 50 nm; the length and diameter of the nanorod (middle) are 10

目前对于磁性等离子体材料研究主要聚集于材料的磁光特性的研究。如，，法拉第效应或磁致旋光(Faraday effect)--在处于磁场中均匀各向同性介质内，偏振光沿磁场方向传播时，振动面发生旋转的现象（图 1-2(a)）；磁光克尔效应(Kerr effect)--从磁性物质反射出来的光波，其偏振平面发生偏振（图 1-2(b)）[48]。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB34


本文编号：2518368