基于蝶翅結(jié)構(gòu)的Fe3O4材料制備及磁光響應(yīng)性能研究.pdf

1、磁性材料可對外加磁場做出響應(yīng)，引起了材料學(xué)家的廣泛興趣。光子晶體是指介電常數(shù)周期性變化的一類材料，是影響光子運(yùn)動(dòng)的規(guī)則光學(xué)結(jié)構(gòu)。這種影響類似于半導(dǎo)體晶體對電子行為的控制。光子晶體被美國Science雜志列為21世紀(jì)六大研究熱點(diǎn)之一,具有廣闊的應(yīng)用前景。將光子晶體與磁性材料相結(jié)合，科學(xué)家們提出了磁性光子晶體的概念。可以通過外界的磁場對磁性光子晶體中的衍射光進(jìn)行調(diào)控，同時(shí)周期性的光子晶體結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)磁性材料的磁光性能，比如克爾磁光效應(yīng)，法拉第

2、旋轉(zhuǎn)，這些特性使得其成為了目前磁光功能材料研究的熱點(diǎn)。
　　21世紀(jì)是信息科技高速發(fā)展的時(shí)代，人們對于低能耗、高響應(yīng)、光纖通訊系統(tǒng)，以及高效、持久的信息存儲(chǔ)技術(shù)的需求日益增加。磁性光子晶體特有的磁-光效應(yīng)及在磁場下對光可調(diào)控性能，可廣泛應(yīng)用于磁光器件中。比如利用克爾磁光效應(yīng)的磁光存儲(chǔ)，利用偏振光通過磁光介質(zhì)發(fā)生偏振面旋轉(zhuǎn)來調(diào)制光束的磁光調(diào)制器及磁光開關(guān)等。在實(shí)現(xiàn)低能耗、高響應(yīng)、無干擾通訊系統(tǒng)和高效、持久的信息存儲(chǔ)方面具有廣泛的應(yīng)用

3、前景。然而，現(xiàn)階段，磁性光子晶體在設(shè)計(jì)、制備和實(shí)際應(yīng)用中存在著諸多亟需解決的瓶頸問題：合成磁性光子晶體的條件苛刻，工藝復(fù)雜繁瑣，組裝的結(jié)構(gòu)樣式僅限于多層膜和蛋白石結(jié)構(gòu)等。自然界在構(gòu)筑分級結(jié)構(gòu)及利用其對光進(jìn)行有效的捕獲和調(diào)控等方面為我們提供了有效借鑒，具有“大自然舞姬”之稱的蝴蝶為精細(xì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造與光學(xué)功能一體化的典范，其分級有序的精細(xì)結(jié)構(gòu)及絢麗奪目的光學(xué)行為，滿足其通訊、防偽、求偶等生存的全部需要，體現(xiàn)出獨(dú)特的光調(diào)控特性。研究發(fā)現(xiàn)，蝶翅種類

4、多達(dá)十七余萬種，涵蓋了從一維，二維到三維的多形態(tài)跨尺度的精細(xì)光學(xué)結(jié)構(gòu)，為合成相應(yīng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)提供了設(shè)計(jì)思路和廣闊空間。
　　啟迪于自然界生物體結(jié)構(gòu)和組分的優(yōu)化耦合效應(yīng)，本論文提出以具有的有序分級結(jié)構(gòu)的蝶翅為模板制備新型的磁性光子晶體材料的設(shè)想：以蝶翅為模板，采用化學(xué)或者物理的轉(zhuǎn)化工藝保留生物模板微納精細(xì)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，將其成分轉(zhuǎn)化為磁性材料，期望利用生物模板復(fù)制的方法，獲取難以人工制備的磁性光子晶體材料。
　　本論文系統(tǒng)研究了模板

5、法制備磁性光子晶體過程中的組分的轉(zhuǎn)化，結(jié)構(gòu)復(fù)制的機(jī)理；從實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算兩方面證實(shí)了生物模板法制備磁性光子晶體的可行性，并揭示了其光學(xué)，磁學(xué)的響應(yīng)性能及磁光耦合效應(yīng)；為磁性光子晶體材料的理論和實(shí)驗(yàn)研究提供了新的思路。主要內(nèi)容如下：
　　一、以蝶翅為基體原位合成納米四氧化三鐵顆粒的研究。選用具有分級光子晶體結(jié)構(gòu)的異型紫斑蝶作為模板，通過化學(xué)處理的方法，在其表面增加活性位點(diǎn)。引導(dǎo)磁性材料四氧化三鐵納米顆粒在其表面原位合成,探索了制備四氧

6、化三鐵/蝶翅復(fù)合功能材料的關(guān)鍵因素。
　　研究了氧化法、還原法制備磁性四氧化三鐵納米顆粒的化學(xué)工藝，最終設(shè)計(jì)一條水熱反應(yīng)的合成工藝：利用原始模板的甲殼素生物骨架平衡四氧化三鐵納米顆粒之間的磁相互作用力，成功地在蝴蝶翅膀納米結(jié)構(gòu)表面合成和組裝了四氧化三鐵納米顆粒。制備得到的蝶翅/四氧化三鐵復(fù)合光子晶體可在磁鐵的引導(dǎo)下發(fā)生移動(dòng),不同結(jié)構(gòu)的蝶翅/四氧化三鐵復(fù)合光子晶體具有不同的磁化強(qiáng)度。光學(xué)研究表明，復(fù)合光子晶體保留了原始蝶翅的光子禁帶

7、，僅在強(qiáng)度上有所減弱。以上的研究工作證實(shí)了蝶翅的甲殼素骨架能夠平衡磁相互作用力，并引導(dǎo)納米四氧化三鐵的原位負(fù)載，為后續(xù)研究工作的開展提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　　二、以大藍(lán)閃蝶的蝶翅鱗片為模板制備三維磁性光子晶體功能材料的溶膠凝膠制備方法。在以蝶翅為模板成功合成出復(fù)合型磁性光子晶體材料的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的研究，提出了直接利用生物模板合成磁性光子晶體的構(gòu)想。借助蝴蝶精細(xì)結(jié)構(gòu)自身的機(jī)械張力，采用溶膠凝膠與兩步燒結(jié)相結(jié)合的方法：第一步采用室溫常壓

8、的浸漬與空氣燒結(jié)相結(jié)合的工藝，成功地將蝶翅的生物骨架轉(zhuǎn)化成沒有磁性的三氧化二鐵功能材料；第二步用低濃度的氫氣對三氧化二鐵的功能材料進(jìn)行部分還原最終獲取完全由四氧化三鐵組分構(gòu)成的具有自然光子晶體結(jié)構(gòu)的Fe3O4磁性光子晶體。分析表明，在仿生制備的過程中材料能夠達(dá)到對生物模板結(jié)構(gòu)從大孔到小孔以至于納米孔的精確復(fù)制。在從 PC-α-Fe2O3制備MPC-Fe3O4的過程中，只有化學(xué)組成的改變，并沒有影響材料的光子晶體性質(zhì)。
　　三、為了

9、深入研究蝶翅形貌磁性光子晶體的磁光性能。采用FDTD對原始蝶翅及制備得到的磁性光子晶體功能材料進(jìn)行模擬計(jì)算，研究結(jié)構(gòu)、功能和磁場之間的耦合關(guān)系。由于目前磁性材料的實(shí)驗(yàn)研究還處于初期階段，實(shí)驗(yàn)制備和測量手段都非常的有限，測試對樣品的表面光滑度的要求也非常的苛刻。因此在這里采用光學(xué)的測量和FDTD模擬計(jì)算相結(jié)合的方式來對制備得到的磁性光子晶體的光學(xué)、磁學(xué)、磁光性能進(jìn)行探索研究。測量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增加外部磁場強(qiáng)度，制備得到的Fe3O4的光子禁帶發(fā)生

10、紅移,并且得到理論計(jì)算的證實(shí)。該仿生制備技術(shù)為從自然生物模板制備三維網(wǎng)狀磁性光子晶體結(jié)構(gòu)提供了一種簡單的有效方法，該制備工藝對磁光器件的實(shí)驗(yàn)和理論研究都具有指導(dǎo)意義。
　　四、基于整片蝶翅磁性光子晶體的光學(xué)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，及表面的粗糙度，以及在研究及應(yīng)用上的限制，從單個(gè)光學(xué)結(jié)構(gòu)單元的角度出發(fā)，選取單個(gè)蝶翅鱗片為模板來制備磁光材料。在以上成果的研究基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)合成的工藝，成功制備具有單個(gè)鱗片的Fe2O3，F(xiàn)e3O4功能材料。在單鱗