基于蝶翅3D微納結(jié)構(gòu)的光功能特性研究.pdf

1、近來年壓光、聲光、磁光、電光和彈光等光功能材料，被廣泛應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。而對于材料結(jié)構(gòu)的精巧設計相對于折射率的設計要簡單很多，所以對于結(jié)構(gòu)的研究是光功能材料研究的重要方向。通過納米壓印、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)過上億年的進化，

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捷高效地得到具有相應性能的光學材料。
　　在自然生物中，蝴蝶因其精細的微納結(jié)構(gòu)樣式而被廣泛研究。為了實現(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)過自然選擇，蝴蝶進化出了多維數(shù)、多形態(tài)和跨尺度的精細微納結(jié)構(gòu)。而這些結(jié)構(gòu)可以應用到不同的光功能材料中，滿足科技發(fā)展對智能化、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、探測和傳感等材料；而黑色的

3、蝶翅微納結(jié)構(gòu)，可以作為太陽能電池、光催化等材料。所以對于蝶翅結(jié)構(gòu)的研究，可以指引和啟發(fā)光功能材料的設計和制備。
　　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)中各個參數(shù)對于光學性能的影響，找出了關(guān)鍵參數(shù)。將這些結(jié)構(gòu)和具有相應折射率屬性的材料復合，實現(xiàn)特定的光學功能。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。其光學結(jié)構(gòu)和功能特性歸納如下：
　　(1

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

5、Fe3O4磁性材料復合，在外加磁場作用下，其反射峰由645nm移動到673nm且反射率降低，經(jīng)理論分析發(fā)現(xiàn)此種磁光響應實質(zhì)上是‘外界磁場作用-結(jié)構(gòu)尺寸響應-反射光譜響應’的過程。(5)基于以上藍閃蝶樹枝結(jié)構(gòu)，與納米Au顆粒復合，實現(xiàn)了較好的紅外熱響應性能，理論分析發(fā)現(xiàn)此種紅外熱響應實質(zhì)上是‘紅外熱作用-結(jié)構(gòu)尺寸效應-反射光譜響應’的過程。
　　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，反射譜有明顯的響應，主要表現(xiàn)在顏色響應和視域響應，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)是影響折射率響應的關(guān)鍵參數(shù)，兩肩部分(凹曲程度在40?到76?)響應值最高，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，對于響應貢獻很小。
　　(3)為了驗證此種凹型多層膜結(jié)構(gòu)折射率響應特性的普適性，根據(jù)折射率大小和在光學領(lǐng)域的應用情況，選定了四種常見的光學材料SiO2、Al2O3、ZrO2和TiO2組成凹型多層膜結(jié)構(gòu)，得到了它們在不同有機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)，它可以通過多層膜豎直排布組合得到。其光學結(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)在以很少的材料實現(xiàn)了較高的光吸收，還可以吸收各個角度入射的光線。
　　(2)研究鳳蝶孔陣模型中的各個參數(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光吸收大小有很大影響。
　　(3)通過選擇合適的孔大小，孔壁厚度和孔深度，對于單波長(600nm)而言，可以最大節(jié)約材料84％，而對于可見光波段(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)為長程有序而短程無序的特點，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很多，沒有明顯的吸收盲點。
　　(5)將硅材料和此種微納孔陣結(jié)構(gòu)復合，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)潛在的應用性。
　　綜上所述，通過對三種典型蝶翅3D微納結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，蝶翅的光學性能都和其微納結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。分析這些光學特性的內(nèi)在光學原理及其和各個結(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)和一些特殊材料復合，實現(xiàn)一些所需的光功能特性。這