基于纳米结构材料的光吸收特性及应用研究

发布时间：2017-05-12 19:06

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【摘要】：纳米结构材料与大尺寸材料相比,具有独特的光吸收特性,在能源、传感、新材料等许多领域有着重要的研究和应用价值。得益于纳米加工与光学研究手段的飞速发展,大量传统材料在纳米尺度呈现出新的应用潜力。本论文以石墨纳米结构材料和金纳米颗粒材料作为切入点,探讨其光吸收特性,及其在宽带光吸收器件和光控微型人工肌肉方面的应用。首先,在薄层型光吸收器件方面,研究发现具有纳米锥结构表面的晶体石墨材料有高效率的宽带光吸收性能。纳米锥结构在空气与石墨基底之间提供了等效折射率的匹配与渐变,减小了由于界面折射率突变引起的反射,从而将大部分入射光导入石墨基底进行吸收。通过仿真分析,研究了石墨纳米锥的结构参数与其光吸收强度和带宽之间的关联。通过使用旋涂的金纳米颗粒作为掩模进行干法刻蚀,实验得到了在450-1800 nm波长范围平均反射率仅为5%的石墨纳米锥宽带光吸收器件,结构厚度仅为1μm。第二,在超黑型光吸收器件方面,本文提出了使用石墨纳米线与纳米锥复合结构来实现反射率极低的高效宽带光吸收器件。器件顶层的石墨纳米线具有亚波长尺度的直径和极低的材料密度,在空气与器件的界面提供接近完美的折射率匹配；器件底层的石墨纳米锥具有渐变的等效折射率,可以高效率地吸收穿过器件顶层纳米线的入射光。通过实验建立了无需掩模的干法刻蚀工艺,制作出在500-1000nm波长范围平均积分球反射率仅0.7±0.07%的光吸收器件,结构厚度小于5 μm。与碳纳米管超薄型光吸收器件相比,本文介绍的复合结构光吸收器件在波长1000 nm处的积分球反射率是其1/3左右,而厚度仅是其一半。第三,在微型人工肌肉方面,本文介绍了一种利用纳米金颗粒的光吸收特性,实现光学控制液晶弹性体微柱的方法。将吸收峰位于530 nm波长附近的纳米金颗粒掺杂进入仅对温度有伸缩响应的液晶弹性体微柱之中,在纳米金颗粒的双光子吸收和局域光热转换作用下,使用1064nm波长光镊系统实现了对于液晶弹性体微柱的多种形态操控。这一方法实现了非接触式的微型人工肌肉控制,可被应用于微流通道开关控制等领域。在热致向列相液晶环境中,实验实现了微型人工肌肉的方向性游动控制。在溶致胆甾相液晶环境中,利用微型人工肌肉的多种形态的弯折引发出环境液晶的指向矢重构,这一技术在可重构微结构自组装与光驱动微机械等领域有潜在的应用。
【关键词】：高定向热解石墨 宽带吸波 纳米金颗粒 液晶弹性体 人工肌肉
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-14
• 1 绪论14-34
• 1.1 引言14-15
• 1.2 纳米结构材料15-25
• 1.2.1 纳米结构表面15-23
• 1.2.2 金纳米颗粒23-25
• 1.3 纳米结构光吸收材料的两点应用25-32
• 1.3.1 薄层宽带光吸收器件25-28
• 1.3.2 光控微型人工肌肉28-32
• 1.4 本论文的章节安排32-33
• 1.5 本论文的主要创新点33-34
• 2 石墨超薄光吸收器件34-56
• 2.1 结构原理34-45
• 2.1.1 等效介质理论34-36
• 2.1.2 FDTD仿真模型36-37
• 2.1.3 参数分析37-45
• 2.2 石墨纳米锥结构的制作与表征45-50
• 2.2.1 纳米金颗粒制作与旋涂45-47
• 2.2.2 干法刻蚀与SEM表征47-50
• 2.3 石墨超薄光吸收器件的测试与分析50-53
• 2.3.1 反射光谱测试平台50-51
• 2.3.2 测试结果与分析51-53
• 2.4 本章小结53-56
• 3 石墨超黑光吸收器件56-72
• 3.1 器件制作与表征56-61
• 3.1.1 干法刻蚀57-60
• 3.1.2 SEM、TEM与Raman表征60-61
• 3.2 结构原理与仿真61-66
• 3.2.1 石墨纳米线62-63
• 3.2.2 石墨纳米锥63-65
• 3.2.3 纳米线与纳米锥结构的协同作用65-66
• 3.3 石墨超黑光吸收器件的测试与分析66-71
• 3.3.1 测试平台67-68
• 3.3.2 正入射测试68-70
• 3.3.3 倾斜入射与偏振入射测试70-71
• 3.4 本章小结71-72
• 4 光操控微型人工肌肉72-106
• 4.1 材料介绍与制备72-80
• 4.1.1 纳米金颗粒72-74
• 4.1.2 液晶弹性体微柱74-76
• 4.1.3 液晶弹性体微柱的纳米金颗粒掺杂76
• 4.1.4 液晶及其基本性质76-78
• 4.1.5 样品盒的制作78-80
• 4.2 光学表征与操控系统80-84
• 4.2.1 偏光显微镜80-81
• 4.2.2 CARS偏光显微成像81-82
• 4.2.3 光镊82-84
• 4.3 材料的光学表征84-86
• 4.4 各向同性环境中微型人工肌肉的光操控86-94
• 4.4.1 液晶弹性体微柱的光热响应87-89
• 4.4.2 掺杂纳米金颗粒的液晶弹性体微柱的光热响应89-90
• 4.4.3 材料的光学操控90-94
• 4.4.4 微流通道开关应用94
• 4.5 在各项异性环境中微型人工肌肉的光操控94-104
• 4.5.1 材料在E31向列相液晶中的操控与分析95-97
• 4.5.2 材料在HPC胆甾相液晶中的操控与分析97-104
• 4.6 本章小结104-106
• 5 总结和展望106-108
• 参考文献108-122
• 作者简介122
• 博士期间发表的文章122

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