启迪于蝉翼结构的遗态减反构型材料研究

发布时间：2020-08-21 10:45

【摘要】：减反射结构(ARSs)能显著抑制光的反射,从而增强光的吸收和透射。目前太阳能电池、光学显示器和光学检测等光学器件极速发展,其日益增长的需求亟需在加速研究具有宽谱、全向减反性能的微纳光学结构。而已有的减反射微纳结构往往多仅针对狭窄波段或固定入射角度,难以满足性能的要求。反观自然生物,多种经亿万年进化而成的生物减反微纳结构能为现今的减反射结构研究设计带来启发。目前,仿生模板合成制备法是复制生物精细微纳结构、重现其精细功能特性的最有效方法之一。生物减反射结构中,具有二维乳突状阵列结构的蝉翼是目前自然界中最为有效的构型模板。这一结构被发现适合制造具有纳米结构的功能性材料,该构型可在更宽波段范围内具有减反射性能。在本研究中,基于蝉翼生物模板,制备了具有ARSs的光学功能材料。然后分别研究了具有ARSs的二氧化钛(TiO_2)和二氧化硅(SiO_2)在不同角度下的减反射性能。同时通过制备了具有负纳米孔结构的金属半导体(Ag-TiO_2),研究了蝉翼仿生构型的可见光增强吸收和光催化降解性能。主要结果如下:1.利用简捷、高效的溶胶-凝胶工艺,并结合后续煅烧工艺精确的制备了具有生物结构形态的TiO_2减反射结构。制备出的蝉翼遗态TiO_2不仅有效地继承了ARSs,而且展现出从法线到45°的高性能角度依赖性减反射性能。反射光谱表明,在较大的可见光波长范围内,随着入射角增大,具有ARSs的生物型TiO_2的反射率由1.4%逐渐变为7.8%。2.制备所得的蝉翼遗态SiO_2构型材料,具有更为广角的减反效果,在入射角(10°-60°)内表现出良好的变角减反射性能。随着入射角的增加,蝉翼遗态SiO_2的反射光谱(可见光波长)的变化从0.3%仅到3.3%。3.制备具有纳米孔结构的蝉翼反向构型遗态TiO_2,可直接通过蝉翼的纳米乳头阵列结构有效地制备出来,纳米孔阵列结构经高温煅烧后仍保持良好的微纳构型。Ag纳米颗粒(10nm-25nm)可均匀装饰在纳米孔结构表面和侧壁上。在紫外-可见光照射下,蝉翼遗态Ag-TiO_2在降解甲基蓝(MB)中表现出显着的光催化活性。与无负载的蝉翼遗态TiO_2和商业P25相比,蝉翼遗态Ag-TiO_2表现出优异的光催化活性。其光催化活性可归因于纳米孔结构、Ag纳米颗粒的局域表面等离子体共振(LSPR)性质和增强的电子空穴分离。本论文研究,启迪于具有减反射特性的蝉翼表面微纳构型,研究了不同光学材料的宽谱、全向减反射性能。同时研究了基于该特性的多种功能材料,该工作为未来新型减反射光功能材料的研究提供了新的研究构型参考和数据支持。
【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

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本文编号：2799280