【摘要】：光功能材料作為當(dāng)前材料研究的前沿?zé)狳c(diǎn),廣泛應(yīng)用于顯示、傳感、光催化、光電轉(zhuǎn)換、光熱轉(zhuǎn)換、生物、醫(yī)學(xué)和信息等眾多領(lǐng)域。為了滿足現(xiàn)有的以及潛在的應(yīng)用需求,人們對(duì)光功能材料的性能提出更高和更加多樣化的要求,因此需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新型的高性能光功能材料。自然界中的許多生物體在經(jīng)歷了億萬(wàn)年的優(yōu)勝劣汰后,不斷進(jìn)化出優(yōu)異的光學(xué)結(jié)構(gòu),并在很多功能上顯現(xiàn)出特有的優(yōu)勢(shì),為開(kāi)發(fā)新型的光功能材料提供了獨(dú)特的靈感來(lái)源。通過(guò)直接利用生物模板或者借鑒生物體產(chǎn)生特殊功能的光學(xué)機(jī)制,許多仿生光功能材料已經(jīng)被成功制備,并在諸多應(yīng)用領(lǐng)域中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能,極大地促進(jìn)了新型光功能材料的研究和應(yīng)用。然而,目前對(duì)于復(fù)雜的三維仿生光功能材料的研究仍不充分,許多三維生物體結(jié)構(gòu)和仿生光功能材料所蘊(yùn)含的光學(xué)機(jī)制揭示得還不夠透徹,仿生光功能材料的制備仍存在很大的探索空間,其應(yīng)用領(lǐng)域范圍也需要進(jìn)一步拓展。因此,本文針對(duì)三維仿生光功能材料開(kāi)展進(jìn)一步的探索研究,對(duì)以典型的Morpho蝴蝶翅膀作為模板制備的三維金納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)機(jī)制進(jìn)行闡釋,探索三維鈀-蝶翅復(fù)合結(jié)構(gòu)的氫氣傳感機(jī)制,拓展Morpho蝴蝶翅膀在聲傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用,并利用等離子體刻蝕法豐富調(diào)控Morpho蝶翅三維光子結(jié)構(gòu)的手段。此外,受啟發(fā)于烏賊Galiteuthis利用漏泄波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)光學(xué)隱身,結(jié)合現(xiàn)有的材料制備技術(shù),靈活地設(shè)計(jì)并構(gòu)筑基于背景反射光傳導(dǎo)的自適應(yīng)變色結(jié)構(gòu),用于三維目標(biāo)物體的光學(xué)隱身。具體的,本文主要工作如下:1、通過(guò)物理氣相沉積,在Morpho sulkowskyi蝴蝶翅膀上制備出三維金納米帶結(jié)構(gòu)。不同于文獻(xiàn)報(bào)道的利用蝶翅模板制備的不規(guī)則金屬納米顆粒結(jié)構(gòu)或保形的金屬層,該三維金納米帶結(jié)構(gòu)具有離散和準(zhǔn)周期性排布的特征,為研究該三維結(jié)構(gòu)中的表面等離子體共振耦合提供了有利的條件。采用折射率匹配法,有效降低蝶翅模板的光學(xué)作用,從而可以單獨(dú)地分析三維金納米帶結(jié)構(gòu)與光的相互作用。研究表明,隨著在蝶翅上沉積金的厚度從30 nm增加到90 nm,上下層金納米帶的間距逐漸變小,遠(yuǎn)場(chǎng)耦合效應(yīng)逐漸增強(qiáng);當(dāng)金的沉積厚度大于70 nm時(shí),將發(fā)生近場(chǎng)耦合,并產(chǎn)生了新的共振模式。結(jié)合光學(xué)模擬和SERS,證實(shí)了該三維金結(jié)構(gòu)中發(fā)生的近場(chǎng)耦合效應(yīng)以及對(duì)SERS信號(hào)的增強(qiáng)作用。該研究有助于加深對(duì)三維表面等離子體共振結(jié)構(gòu)的理解,并為設(shè)計(jì)和構(gòu)筑三維金屬納米結(jié)構(gòu)提供了新思路。2、利用物理氣相沉積的方法,在Morpho蝶翅鱗片的三維光子結(jié)構(gòu)上選擇性地修飾鈀納米帶,從而獲得三維鈀-蝶翅納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。測(cè)量該復(fù)合結(jié)構(gòu)的光譜并進(jìn)行光學(xué)模擬,結(jié)果表明鈀納米帶結(jié)構(gòu)的表面等離子體共振模式與蝶翅光子結(jié)構(gòu)的光學(xué)共振模式發(fā)生有效的耦合,不僅增強(qiáng)了鈀納米帶與光的相互作用,而且在波長(zhǎng)約460 nm處產(chǎn)生一個(gè)尖銳的反射峰。研究三維鈀-蝶翅納米復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)氫氣的光學(xué)響應(yīng),結(jié)果表明,當(dāng)三維鈀-蝶翅納米復(fù)合結(jié)構(gòu)暴露在氫氣中時(shí),反射率增加,并且顯著響應(yīng)的波段處于鈀表面等離子體共振模式與蝶翅的光子共振模式相互作用最強(qiáng)的區(qū)域。由于鈀納米帶結(jié)構(gòu)與蝶翅光子結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用,三維鈀-蝶翅納米復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)氫氣的快速靈敏傳感,其極限探測(cè)濃度可低于10 ppm,同時(shí)該仿生傳感器表現(xiàn)出良好的線性響應(yīng)和可重復(fù)性。該研究結(jié)果不僅提供了一種新型、靈敏的氫氣傳感方法,而且對(duì)開(kāi)發(fā)應(yīng)用于光學(xué)傳感器的新型納米結(jié)構(gòu)具有借鑒作用。3、研究具有三維光子結(jié)構(gòu)的Morpho蝶翅對(duì)聲波的光學(xué)響應(yīng)。鑒于光學(xué)式聲傳感器中常用的金屬薄膜難以產(chǎn)生較大的形變響應(yīng),而具有低彈性模量的有機(jī)薄膜的光反射率往往偏低,Morpho蝶翅作為一種具有低彈性模量的光學(xué)諧振器,兼具力學(xué)和光學(xué)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),有利于獲得較高的聲傳感靈敏度。通過(guò)力學(xué)分析,證實(shí)了Morpho蝶翅發(fā)生受迫振動(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生較大的變形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,直徑為5 mm的Morpho蝶翅膜片可以對(duì)200 Hz~8 kHz頻段的聲波產(chǎn)生相應(yīng)頻率的響應(yīng)信號(hào),并具有較大的信噪比,而且在該頻段表現(xiàn)出良好的響應(yīng)平坦度。在實(shí)驗(yàn)條件下,該蝶翅膜片對(duì)1 kHz聲波的最小可探測(cè)聲壓達(dá)到241.15μPa/Hz~(0.5)。該研究將啟發(fā)人們開(kāi)發(fā)基于光學(xué)的新型仿生高性能聲傳感器。4、采用等離子體刻蝕法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)Morpho蝶翅三維光子結(jié)構(gòu)的可控減材修飾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著刻蝕時(shí)間的增加,蝶翅薄片結(jié)構(gòu)的厚度、寬度以及層數(shù)逐漸減少,Morpho蝶翅在正入射條件下的特征反射峰發(fā)生藍(lán)移,峰值反射率逐漸降低。結(jié)合FDTD模擬分析蝶翅的結(jié)構(gòu)與反射率之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)蝶翅薄片結(jié)構(gòu)的厚度、寬度和層數(shù)的減少,均導(dǎo)致反射峰發(fā)生藍(lán)移,而峰值反射率的降低主要源于有效層數(shù)的減少。研究這些薄片結(jié)構(gòu)的變化對(duì)大視角顯色的影響,結(jié)果表明減材修飾的蝶翅與原態(tài)蝶翅的大視角顯色特性相當(dāng)。本研究不僅為闡明蝶翅的光學(xué)機(jī)制和理解蝶翅光學(xué)結(jié)構(gòu)在進(jìn)化過(guò)程中的演變優(yōu)化提供了一個(gè)全新的角度,而且豐富了調(diào)節(jié)生物光學(xué)結(jié)構(gòu)的手段。5、受烏賊Galiteuthis利用漏泄波導(dǎo)匹配背景實(shí)現(xiàn)光學(xué)隱身的啟發(fā),提出了一種基于光波導(dǎo)的仿生自適應(yīng)變色方法,用于三維目標(biāo)物體的光學(xué)隱身。與現(xiàn)有的包含顏色傳感組件、信號(hào)處理組件和顏色生成組件的主動(dòng)變色系統(tǒng)不同,該仿生自適應(yīng)變色系統(tǒng)直接利用背景的反射光,將其傳導(dǎo)到目標(biāo)物體表面并呈現(xiàn)出來(lái),因此無(wú)需顏色傳感、信號(hào)處理和顏色生成等組件。仿生自適應(yīng)變色通過(guò)基于光波導(dǎo)的三維光學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),其中包含光接收層、光傳輸層和顯示層。研究表明,通過(guò)對(duì)仿生變色三維結(jié)構(gòu)的各部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),覆蓋仿生變色結(jié)構(gòu)的目標(biāo)物體實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)可見(jiàn)光波段自適應(yīng)地匹配背景顏色和光譜,并具有極快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。利用像素化的波導(dǎo)基仿生變色結(jié)構(gòu),可以使目標(biāo)物體自適應(yīng)地匹配具有多個(gè)顏色的復(fù)雜背景,為在復(fù)雜自然背景下的隱身提供了有效的途徑。本研究為今后三維表面等離子體共振結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用提供了重要的研究方法和理論依據(jù),為三維仿生光功能材料的構(gòu)筑以及在傳感和隱身等方面的應(yīng)用提供了全新的設(shè)計(jì)理念和有益借鑒。本文在多個(gè)材料尺度和功能方面的研究,將推動(dòng)仿生光功能材料的發(fā)展,具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
【圖文】：

圖 1-1 仿生光功能材料的主要研究?jī)?nèi)容。Fig. 1-1 The main researches of the bioinspired optical functional materials物體的光學(xué)材料、結(jié)構(gòu)及性能研究進(jìn)展然中的生物體展示出豐富多彩的光學(xué)現(xiàn)象，人們對(duì)生物體的這成機(jī)制的探索從未間斷。得益于測(cè)試手段的不斷提高，研究者地揭示許多生物體的光學(xué)材料、結(jié)構(gòu)及光學(xué)機(jī)制。這樣也有助光-生物結(jié)構(gòu)的相互作用，及其對(duì)生物體功能的影響。物體中的光吸收界中的物質(zhì)對(duì)光均有不同程度和不同特征的吸收，將光子轉(zhuǎn)換反應(yīng)產(chǎn)生。光吸收在生物體中發(fā)揮著非常重要的作用：許多生能量，或者用于偽裝，或者用于自身防護(hù)，亦或者吸收特定波顏色，甚至生物體的視覺(jué)也依賴于光吸收。物體中，色素是廣泛存在的光吸收介質(zhì)，例如由有機(jī)分子構(gòu)成

第一章 緒論蝶翅中色素對(duì)光的吸收。一些其他的生物體在含有色素的生物材料表面所存在的不同形式的減反射結(jié)構(gòu)，對(duì)光吸收也具有促進(jìn)作用，如犀角咝蝰背部黑色的鱗片上存在著獨(dú)特的分級(jí)結(jié)構(gòu)（如圖 1-2（c）-（e）所示），即在吸收性材料的表面排列著微米級(jí)的葉片狀結(jié)構(gòu)，而葉片結(jié)構(gòu)上分布有納米級(jí)的脊[15]。此外，，一些生物體具有可以引起多重散射的結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)生物體中的色素對(duì)光的吸收，如造礁珊瑚的骨架導(dǎo)致光的多重散射，可以提高共生體對(duì)光的吸收[16]；某些極樂(lè)鳥(niǎo)科鳥(niǎo)類(lèi)的超級(jí)黑色羽毛中存在由羽小枝組成的獨(dú)特的傾斜陣列結(jié)構(gòu)（如圖 1-2（f）所示），引起多重散射，致使這些羽毛的定向反射率僅有 0.05~0.31%，比常規(guī)黑色羽毛具有更多的光吸收，這可能在它們求偶時(shí)，有助于增強(qiáng)相鄰彩色羽毛斑塊在感官上的色彩亮度[17]。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TB34


本文編號(hào)：2658323