基于蝶翅3D微納結(jié)構(gòu)的光功能特性研究.pdf

1、近來(lái)年壓光、聲光、磁光、電光和彈光等光功能材料，被廣泛應(yīng)用于光電和信息等領(lǐng)域。這些光功能材料的性能不僅受到材料折射率等固有屬性的影響，也受到結(jié)構(gòu)形狀很大的影響。而對(duì)于材料結(jié)構(gòu)的精巧設(shè)計(jì)相對(duì)于折射率的設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單很多，所以對(duì)于結(jié)構(gòu)的研究是光功能材料研究的重要方向。通過(guò)納米壓印、激光刻蝕和原子層沉積等方法可以人工制備出各種具有特殊光學(xué)性能的納米結(jié)構(gòu)。但受限于制備工藝和合成條件，這些人工方法所能制備的結(jié)構(gòu)樣式還很有限，而大自然經(jīng)過(guò)上億年的進(jìn)化，

2、已經(jīng)為人類提供了豐富多樣的結(jié)構(gòu)樣式，師法自然讓人們可以簡(jiǎn)捷高效地得到具有相應(yīng)性能的光學(xué)材料。
　　在自然生物中，蝴蝶因其精細(xì)的微納結(jié)構(gòu)樣式而被廣泛研究。為了實(shí)現(xiàn)偽裝、警戒、吸引異性、信息交流和吸收熱量等生存需求，經(jīng)過(guò)自然選擇，蝴蝶進(jìn)化出了多維數(shù)、多形態(tài)和跨尺度的精細(xì)微納結(jié)構(gòu)。而這些結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用到不同的光功能材料中，滿足科技發(fā)展對(duì)智能化、結(jié)構(gòu)功能一體化的需要。具有明亮、閃耀顏色的蝶翅微納結(jié)構(gòu)，可以作為響應(yīng)、探測(cè)和傳感等材料；而黑色的

3、蝶翅微納結(jié)構(gòu)，可以作為太陽(yáng)能電池、光催化等材料。所以對(duì)于蝶翅結(jié)構(gòu)的研究，可以指引和啟發(fā)光功能材料的設(shè)計(jì)和制備。
　　本文從蝶翅的散射、反射和吸收性能出發(fā)，選取了三種典型的微納結(jié)構(gòu)加以研究。給出了結(jié)構(gòu)中各個(gè)參數(shù)對(duì)于光學(xué)性能的影響，找出了關(guān)鍵參數(shù)。將這些結(jié)構(gòu)和具有相應(yīng)折射率屬性的材料復(fù)合，實(shí)現(xiàn)特定的光學(xué)功能。主要成果如下：
　　一、研究了蝶翅中的樹枝型結(jié)構(gòu)，它可以基于多層膜構(gòu)型得到。其光學(xué)結(jié)構(gòu)和功能特性歸納如下：
　　(1

4、)藍(lán)閃蝶樹枝結(jié)構(gòu)既具有閃耀(基于光柵)的藍(lán)色(基于多層膜)，也具有較大可視區(qū)域(基于復(fù)雜結(jié)構(gòu))。
　　(2)藍(lán)閃蝶產(chǎn)生大視域的復(fù)雜結(jié)構(gòu)之一為其雙層樹枝模型結(jié)構(gòu)，上層樹枝結(jié)構(gòu)降低了反射譜對(duì)于角度的依賴性，下層樹枝結(jié)構(gòu)保證了較強(qiáng)的反射率。
　　(3)藍(lán)閃蝶產(chǎn)生大視域的復(fù)雜結(jié)構(gòu)之二為肋在縱向的無(wú)序分布，以粒子群算法來(lái)模擬這種無(wú)序分布，其反射譜具有很低的入射角和出射角依賴特性。
　　(4)基于以上藍(lán)閃蝶樹枝結(jié)構(gòu)，與Fe2O3和

5、Fe3O4磁性材料復(fù)合，在外加磁場(chǎng)作用下，其反射峰由645nm移動(dòng)到673nm且反射率降低，經(jīng)理論分析發(fā)現(xiàn)此種磁光響應(yīng)實(shí)質(zhì)上是‘外界磁場(chǎng)作用-結(jié)構(gòu)尺寸響應(yīng)-反射光譜響應(yīng)’的過(guò)程。(5)基于以上藍(lán)閃蝶樹枝結(jié)構(gòu)，與納米Au顆粒復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了較好的紅外熱響應(yīng)性能，理論分析發(fā)現(xiàn)此種紅外熱響應(yīng)實(shí)質(zhì)上是‘紅外熱作用-結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)-反射光譜響應(yīng)’的過(guò)程。
　　二、研究了蝶翅中的凹型多層膜結(jié)構(gòu)，它可以基于多層膜凹曲構(gòu)型得到。其光學(xué)結(jié)構(gòu)和功能特性歸納

6、如下：
　　(1)鳳蝶凹型多層膜結(jié)構(gòu)在環(huán)境折射率發(fā)生變化時(shí)，反射譜有明顯的響應(yīng)，主要表現(xiàn)在顏色響應(yīng)和視域響應(yīng)，在空氣和酒精中的顏色分別為綠色和黑色，在空氣和酒精中的視域分別約為0~60?和0~10?，對(duì)比非常明顯。
　　(2)分析發(fā)現(xiàn)，凹型多層膜的凹曲程度(弧形的張角)是影響折射率響應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)，兩肩部分(凹曲程度在40?到76?)響應(yīng)值最高，中間部分(凹曲程度小于40?)可以近似地看做多層膜結(jié)構(gòu)，而在較大的張角部分(凹曲程

7、度大于76?)反射率很低，對(duì)于響應(yīng)貢獻(xiàn)很小。
　　(3)為了驗(yàn)證此種凹型多層膜結(jié)構(gòu)折射率響應(yīng)特性的普適性，根據(jù)折射率大小和在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用情況，選定了四種常見的光學(xué)材料SiO2、Al2O3、ZrO2和TiO2組成凹型多層膜結(jié)構(gòu)，得到了它們?cè)诓煌袡C(jī)溶劑中的反射譜情況。
　　三、研究了蝶翅中的微納孔陣結(jié)構(gòu)，它可以通過(guò)多層膜豎直排布組合得到。其光學(xué)結(jié)構(gòu)和功能特性歸納如下：
　　(1)鳳蝶微納孔陣結(jié)構(gòu)是一種很好的光吸收結(jié)構(gòu)，

8、表現(xiàn)在以很少的材料實(shí)現(xiàn)了較高的光吸收，還可以吸收各個(gè)角度入射的光線。
　　(2)研究鳳蝶孔陣模型中的各個(gè)參數(shù)之后發(fā)現(xiàn)，孔陣結(jié)構(gòu)中的孔大小、孔壁厚度和孔深度對(duì)光吸收大小有很大影響。
　　(3)通過(guò)選擇合適的孔大小，孔壁厚度和孔深度，對(duì)于單波長(zhǎng)(600nm)而言，可以最大節(jié)約材料84％，而對(duì)于可見光波段(400nm~800nm)而言，可以最大節(jié)約材料59%。
　　(4)鳳蝶孔陣結(jié)構(gòu)的孔形狀表現(xiàn)為長(zhǎng)程有序而短程無(wú)序的特點(diǎn)，這

9、種孔形狀比規(guī)則的四方孔陣結(jié)構(gòu)、六方孔陣結(jié)構(gòu)的全向光吸收能力強(qiáng)很多，沒(méi)有明顯的吸收盲點(diǎn)。
　　(5)將硅材料和此種微納孔陣結(jié)構(gòu)復(fù)合，研究發(fā)現(xiàn)其同樣具有很好的光吸收性能，證明了此種結(jié)構(gòu)潛在的應(yīng)用性。
　　綜上所述，通過(guò)對(duì)三種典型蝶翅3D微納結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，蝶翅的光學(xué)性能都和其微納結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。分析這些光學(xué)特性的內(nèi)在光學(xué)原理及其和各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化關(guān)系，找出關(guān)鍵參數(shù)。最后將這些結(jié)構(gòu)和一些特殊材料復(fù)合，實(shí)現(xiàn)一些所需的光功能特性。這