三维仿生光功能材料及其应用研究

发布时间：2020-05-11 10:31

【摘要】：光功能材料作为当前材料研究的前沿热点,广泛应用于显示、传感、光催化、光电转换、光热转换、生物、医学和信息等众多领域。为了满足现有的以及潜在的应用需求,人们对光功能材料的性能提出更高和更加多样化的要求,因此需要进一步开发新型的高性能光功能材料。自然界中的许多生物体在经历了亿万年的优胜劣汰后,不断进化出优异的光学结构,并在很多功能上显现出特有的优势,为开发新型的光功能材料提供了独特的灵感来源。通过直接利用生物模板或者借鉴生物体产生特殊功能的光学机制,许多仿生光功能材料已经被成功制备,并在诸多应用领域中表现出优异的性能,极大地促进了新型光功能材料的研究和应用。然而,目前对于复杂的三维仿生光功能材料的研究仍不充分,许多三维生物体结构和仿生光功能材料所蕴含的光学机制揭示得还不够透彻,仿生光功能材料的制备仍存在很大的探索空间,其应用领域范围也需要进一步拓展。因此,本文针对三维仿生光功能材料开展进一步的探索研究,对以典型的Morpho蝴蝶翅膀作为模板制备的三维金纳米结构的光学机制进行阐释,探索三维钯-蝶翅复合结构的氢气传感机制,拓展Morpho蝴蝶翅膀在声传感领域中的应用,并利用等离子体刻蚀法丰富调控Morpho蝶翅三维光子结构的手段。此外,受启发于乌贼Galiteuthis利用漏泄波导实现光学隐身,结合现有的材料制备技术,灵活地设计并构筑基于背景反射光传导的自适应变色结构,用于三维目标物体的光学隐身。具体的,本文主要工作如下:1、通过物理气相沉积,在Morpho sulkowskyi蝴蝶翅膀上制备出三维金纳米带结构。不同于文献报道的利用蝶翅模板制备的不规则金属纳米颗粒结构或保形的金属层,该三维金纳米带结构具有离散和准周期性排布的特征,为研究该三维结构中的表面等离子体共振耦合提供了有利的条件。采用折射率匹配法,有效降低蝶翅模板的光学作用,从而可以单独地分析三维金纳米带结构与光的相互作用。研究表明,随着在蝶翅上沉积金的厚度从30 nm增加到90 nm,上下层金纳米带的间距逐渐变小,远场耦合效应逐渐增强;当金的沉积厚度大于70 nm时,将发生近场耦合,并产生了新的共振模式。结合光学模拟和SERS,证实了该三维金结构中发生的近场耦合效应以及对SERS信号的增强作用。该研究有助于加深对三维表面等离子体共振结构的理解,并为设计和构筑三维金属纳米结构提供了新思路。2、利用物理气相沉积的方法,在Morpho蝶翅鳞片的三维光子结构上选择性地修饰钯纳米带,从而获得三维钯-蝶翅纳米复合结构。测量该复合结构的光谱并进行光学模拟,结果表明钯纳米带结构的表面等离子体共振模式与蝶翅光子结构的光学共振模式发生有效的耦合,不仅增强了钯纳米带与光的相互作用,而且在波长约460 nm处产生一个尖锐的反射峰。研究三维钯-蝶翅纳米复合结构对氢气的光学响应,结果表明,当三维钯-蝶翅纳米复合结构暴露在氢气中时,反射率增加,并且显著响应的波段处于钯表面等离子体共振模式与蝶翅的光子共振模式相互作用最强的区域。由于钯纳米带结构与蝶翅光子结构的协同作用,三维钯-蝶翅纳米复合结构实现了对氢气的快速灵敏传感,其极限探测浓度可低于10 ppm,同时该仿生传感器表现出良好的线性响应和可重复性。该研究结果不仅提供了一种新型、灵敏的氢气传感方法,而且对开发应用于光学传感器的新型纳米结构具有借鉴作用。3、研究具有三维光子结构的Morpho蝶翅对声波的光学响应。鉴于光学式声传感器中常用的金属薄膜难以产生较大的形变响应,而具有低弹性模量的有机薄膜的光反射率往往偏低,Morpho蝶翅作为一种具有低弹性模量的光学谐振器,兼具力学和光学的独特优势,有利于获得较高的声传感灵敏度。通过力学分析,证实了Morpho蝶翅发生受迫振动时容易产生较大的变形。实验结果表明,直径为5 mm的Morpho蝶翅膜片可以对200 Hz~8 kHz频段的声波产生相应频率的响应信号,并具有较大的信噪比,而且在该频段表现出良好的响应平坦度。在实验条件下,该蝶翅膜片对1 kHz声波的最小可探测声压达到241.15μPa/Hz~(0.5)。该研究将启发人们开发基于光学的新型仿生高性能声传感器。4、采用等离子体刻蚀法,实现了对Morpho蝶翅三维光子结构的可控减材修饰。实验结果表明,随着刻蚀时间的增加,蝶翅薄片结构的厚度、宽度以及层数逐渐减少,Morpho蝶翅在正入射条件下的特征反射峰发生蓝移,峰值反射率逐渐降低。结合FDTD模拟分析蝶翅的结构与反射率之间的关系,发现蝶翅薄片结构的厚度、宽度和层数的减少,均导致反射峰发生蓝移,而峰值反射率的降低主要源于有效层数的减少。研究这些薄片结构的变化对大视角显色的影响,结果表明减材修饰的蝶翅与原态蝶翅的大视角显色特性相当。本研究不仅为阐明蝶翅的光学机制和理解蝶翅光学结构在进化过程中的演变优化提供了一个全新的角度,而且丰富了调节生物光学结构的手段。5、受乌贼Galiteuthis利用漏泄波导匹配背景实现光学隐身的启发,提出了一种基于光波导的仿生自适应变色方法,用于三维目标物体的光学隐身。与现有的包含颜色传感组件、信号处理组件和颜色生成组件的主动变色系统不同,该仿生自适应变色系统直接利用背景的反射光,将其传导到目标物体表面并呈现出来,因此无需颜色传感、信号处理和颜色生成等组件。仿生自适应变色通过基于光波导的三维光学结构实现,其中包含光接收层、光传输层和显示层。研究表明,通过对仿生变色三维结构的各部分进行优化设计,覆盖仿生变色结构的目标物体实现了在整个可见光波段自适应地匹配背景颜色和光谱,并具有极快的动态响应速度。利用像素化的波导基仿生变色结构,可以使目标物体自适应地匹配具有多个颜色的复杂背景,为在复杂自然背景下的隐身提供了有效的途径。本研究为今后三维表面等离子体共振结构的设计、制备和应用提供了重要的研究方法和理论依据,为三维仿生光功能材料的构筑以及在传感和隐身等方面的应用提供了全新的设计理念和有益借鉴。本文在多个材料尺度和功能方面的研究,将推动仿生光功能材料的发展,具有重要的理论和现实意义。
【图文】：

图 1-1 仿生光功能材料的主要研究内容。Fig. 1-1 The main researches of the bioinspired optical functional materials物体的光学材料、结构及性能研究进展然中的生物体展示出丰富多彩的光学现象，人们对生物体的这成机制的探索从未间断。得益于测试手段的不断提高，研究者地揭示许多生物体的光学材料、结构及光学机制。这样也有助光-生物结构的相互作用，及其对生物体功能的影响。物体中的光吸收界中的物质对光均有不同程度和不同特征的吸收，将光子转换反应产生。光吸收在生物体中发挥着非常重要的作用：许多生能量，或者用于伪装，或者用于自身防护，亦或者吸收特定波颜色，甚至生物体的视觉也依赖于光吸收。物体中，色素是广泛存在的光吸收介质，例如由有机分子构成

第一章 绪论蝶翅中色素对光的吸收。一些其他的生物体在含有色素的生物材料表面所存在的不同形式的减反射结构，对光吸收也具有促进作用，如犀角咝蝰背部黑色的鳞片上存在着独特的分级结构（如图 1-2（c）-（e）所示），即在吸收性材料的表面排列着微米级的叶片状结构，而叶片结构上分布有纳米级的脊[15]。此外，，一些生物体具有可以引起多重散射的结构，从而增强生物体中的色素对光的吸收，如造礁珊瑚的骨架导致光的多重散射，可以提高共生体对光的吸收[16]；某些极乐鸟科鸟类的超级黑色羽毛中存在由羽小枝组成的独特的倾斜阵列结构（如图 1-2（f）所示），引起多重散射，致使这些羽毛的定向反射率仅有 0.05~0.31%，比常规黑色羽毛具有更多的光吸收，这可能在它们求偶时，有助于增强相邻彩色羽毛斑块在感官上的色彩亮度[17]。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34


本文编号：2658323