【摘要】：近來年壓光、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。而對于材料結(jié)構(gòu)的精巧設(shè)計(jì)相對于折射率的設(shè)計(jì)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(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)過上億年的進(jìn)化,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(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)、探測和傳感等材料;而黑色的蝶翅微納結(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(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)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(lán)閃蝶樹枝結(jié)構(gòu),與Fe2O3和Fe3O4磁性材料復(fù)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(yīng)實(shí)質(zhì)上是‘外界磁場作用-結(jié)構(gòu)尺寸響應(yīng)-反射光譜響應(yīng)’的過程。(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(凹曲程度大于76?)反射率很低,對于響應(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Si O2、Al2O3、Zr O2和Ti O2組成凹型多層膜結(jié)構(gòu),得到了它們在不同有機(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),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(diǎn),這種孔形狀比規(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(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。這些研究將為光功能材料的設(shè)計(jì)和制備提供了新的方法和思路。
【圖文】：

圖 1-1 蝶翅結(jié)構(gòu)的五大微結(jié)構(gòu)類型 Group I~Group V[52]。脊結(jié)構(gòu)，肋結(jié)構(gòu)，次級肋結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)和色素顆粒都標(biāo)注在 S1 中。Fig. 1-1 Five microstructure groups Group I~Group V of butterfly wing scales. Ridges, cross-rib(or horizontal struts), lamellae (or sub-ribs), trabeculae (or vertical struts), and pigment beads, amarked in S1.

o didius 樹枝結(jié)構(gòu)的觀測角依賴特性[116]。(a)和(c)分別為下層鱗片譜，入射光垂直入射，，觀測面平行于脊方向。(b)和(d)分別為下依賴圖譜，入射光垂直入射，觀測面垂直于脊方向。(e)基于雙層略顯示了反射光的三個(gè)部分。(f) Morpho didius 蝶翅結(jié)構(gòu)的傾斜掃iewing angle dependence properties of tree-like structures in Morphoed under normal incidence and measured within a plane parallel to th
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB34;TB383.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2569662