基于蝶翅3D微纳结构的光功能特性研究

发布时间：2019-12-04 15:34

【摘要】：近来年压光、声光、磁光、电光和弹光等光功能材料,被广泛应用于光电和信息等领域。这些光功能材料的性能不仅受到材料折射率等固有属性的影响,也受到结构形状很大的影响。而对于材料结构的精巧设计相对于折射率的设计要简单很多,所以对于结构的研究是光功能材料研究的重要方向。通过纳米压印、激光刻蚀和原子层沉积等方法可以人工制备出各种具有特殊光学性能的纳米结构。但受限于制备工艺和合成条件,这些人工方法所能制备的结构样式还很有限,而大自然经过上亿年的进化,已经为人类提供了丰富多样的结构样式,师法自然让人们可以简捷高效地得到具有相应性能的光学材料。在自然生物中,蝴蝶因其精细的微纳结构样式而被广泛研究。为了实现伪装、警戒、吸引异性、信息交流和吸收热量等生存需求,经过自然选择,蝴蝶进化出了多维数、多形态和跨尺度的精细微纳结构。而这些结构可以应用到不同的光功能材料中,满足科技发展对智能化、结构功能一体化的需要。具有明亮、闪耀颜色的蝶翅微纳结构,可以作为响应、探测和传感等材料;而黑色的蝶翅微纳结构,可以作为太阳能电池、光催化等材料。所以对于蝶翅结构的研究,可以指引和启发光功能材料的设计和制备。本文从蝶翅的散射、反射和吸收性能出发,选取了三种典型的微纳结构加以研究。给出了结构中各个参数对于光学性能的影响,找出了关键参数。将这些结构和具有相应折射率属性的材料复合,实现特定的光学功能。主要成果如下:一、研究了蝶翅中的树枝型结构,它可以基于多层膜构型得到。其光学结构和功能特性归纳如下:(1)蓝闪蝶树枝结构既具有闪耀(基于光栅)的蓝色(基于多层膜),也具有较大可视区域(基于复杂结构)。(2)蓝闪蝶产生大视域的复杂结构之一为其双层树枝模型结构,上层树枝结构降低了反射谱对于角度的依赖性,下层树枝结构保证了较强的反射率。(3)蓝闪蝶产生大视域的复杂结构之二为肋在纵向的无序分布,以粒子群算法来模拟这种无序分布,其反射谱具有很低的入射角和出射角依赖特性。(4)基于以上蓝闪蝶树枝结构,与Fe2O3和Fe3O4磁性材料复合,在外加磁场作用下,其反射峰由645nm移动到673nm且反射率降低,经理论分析发现此种磁光响应实质上是‘外界磁场作用-结构尺寸响应-反射光谱响应’的过程。(5)基于以上蓝闪蝶树枝结构,与纳米Au颗粒复合,实现了较好的红外热响应性能,理论分析发现此种红外热响应实质上是‘红外热作用-结构尺寸效应-反射光谱响应’的过程。二、研究了蝶翅中的凹型多层膜结构,它可以基于多层膜凹曲构型得到。其光学结构和功能特性归纳如下:(1)凤蝶凹型多层膜结构在环境折射率发生变化时,反射谱有明显的响应,主要表现在颜色响应和视域响应,在空气和酒精中的颜色分别为绿色和黑色,在空气和酒精中的视域分别约为0~60?和0~10?,对比非常明显。(2)分析发现,凹型多层膜的凹曲程度(弧形的张角)是影响折射率响应的关键参数,两肩部分(凹曲程度在40?到76?)响应值最高,中间部分(凹曲程度小于40?)可以近似地看做多层膜结构,而在较大的张角部分(凹曲程度大于76?)反射率很低,对于响应贡献很小。(3)为了验证此种凹型多层膜结构折射率响应特性的普适性,根据折射率大小和在光学领域的应用情况,选定了四种常见的光学材料Si O2、Al2O3、Zr O2和Ti O2组成凹型多层膜结构,得到了它们在不同有机溶剂中的反射谱情况。三、研究了蝶翅中的微纳孔阵结构,它可以通过多层膜竖直排布组合得到。其光学结构和功能特性归纳如下:(1)凤蝶微纳孔阵结构是一种很好的光吸收结构,表现在以很少的材料实现了较高的光吸收,还可以吸收各个角度入射的光线。(2)研究凤蝶孔阵模型中的各个参数之后发现,孔阵结构中的孔大小、孔壁厚度和孔深度对光吸收大小有很大影响。(3)通过选择合适的孔大小,孔壁厚度和孔深度,对于单波长(600nm)而言,可以最大节约材料84%,而对于可见光波段(400nm~800nm)而言,可以最大节约材料59%。(4)凤蝶孔阵结构的孔形状表现为长程有序而短程无序的特点,这种孔形状比规则的四方孔阵结构、六方孔阵结构的全向光吸收能力强很多,没有明显的吸收盲点。(5)将硅材料和此种微纳孔阵结构复合,研究发现其同样具有很好的光吸收性能,证明了此种结构潜在的应用性。综上所述,通过对三种典型蝶翅3D微纳结构的研究发现,蝶翅的光学性能都和其微纳结构有密切关系。分析这些光学特性的内在光学原理及其和各个结构参数的变化关系,找出关键参数。最后将这些结构和一些特殊材料复合,实现一些所需的光功能特性。这些研究将为光功能材料的设计和制备提供了新的方法和思路。
【图文】：

图 1-1 蝶翅结构的五大微结构类型 Group I~Group V[52]。脊结构，肋结构，次级肋结构，结构和色素颗粒都标注在 S1 中。Fig. 1-1 Five microstructure groups Group I~Group V of butterfly wing scales. Ridges, cross-rib(or horizontal struts), lamellae (or sub-ribs), trabeculae (or vertical struts), and pigment beads, amarked in S1.

o didius 树枝结构的观测角依赖特性[116]。(a)和(c)分别为下层鳞片谱，入射光垂直入射，，观测面平行于脊方向。(b)和(d)分别为下依赖图谱，入射光垂直入射，观测面垂直于脊方向。(e)基于双层略显示了反射光的三个部分。(f) Morpho didius 蝶翅结构的倾斜扫iewing angle dependence properties of tree-like structures in Morphoed under normal incidence and measured within a plane parallel to th
【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;TB383.1

【参考文献】

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本文编号：2569662