本文關鍵詞：基于納米結構材料的光吸收特性及應用研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：納米結構材料與大尺寸材料相比,具有獨特的光吸收特性,在能源、傳感、新材料等許多領域有著重要的研究和應用價值。得益于納米加工與光學研究手段的飛速發(fā)展,大量傳統(tǒng)材料在納米尺度呈現(xiàn)出新的應用潛力。本論文以石墨納米結構材料和金納米顆粒材料作為切入點,探討其光吸收特性,及其在寬帶光吸收器件和光控微型人工肌肉方面的應用。首先,在薄層型光吸收器件方面,研究發(fā)現(xiàn)具有納米錐結構表面的晶體石墨材料有高效率的寬帶光吸收性能。納米錐結構在空氣與石墨基底之間提供了等效折射率的匹配與漸變,減小了由于界面折射率突變引起的反射,從而將大部分入射光導入石墨基底進行吸收。通過仿真分析,研究了石墨納米錐的結構參數(shù)與其光吸收強度和帶寬之間的關聯(lián)。通過使用旋涂的金納米顆粒作為掩模進行干法刻蝕,實驗得到了在450-1800 nm波長范圍平均反射率僅為5%的石墨納米錐寬帶光吸收器件,結構厚度僅為1μm。第二,在超黑型光吸收器件方面,本文提出了使用石墨納米線與納米錐復合結構來實現(xiàn)反射率極低的高效寬帶光吸收器件。器件頂層的石墨納米線具有亞波長尺度的直徑和極低的材料密度,在空氣與器件的界面提供接近完美的折射率匹配；器件底層的石墨納米錐具有漸變的等效折射率,可以高效率地吸收穿過器件頂層納米線的入射光。通過實驗建立了無需掩模的干法刻蝕工藝,制作出在500-1000nm波長范圍平均積分球反射率僅0.7±0.07%的光吸收器件,結構厚度小于5 μm。與碳納米管超薄型光吸收器件相比,本文介紹的復合結構光吸收器件在波長1000 nm處的積分球反射率是其1/3左右,而厚度僅是其一半。第三,在微型人工肌肉方面,本文介紹了一種利用納米金顆粒的光吸收特性,實現(xiàn)光學控制液晶彈性體微柱的方法。將吸收峰位于530 nm波長附近的納米金顆粒摻雜進入僅對溫度有伸縮響應的液晶彈性體微柱之中,在納米金顆粒的雙光子吸收和局域光熱轉換作用下,使用1064nm波長光鑷系統(tǒng)實現(xiàn)了對于液晶彈性體微柱的多種形態(tài)操控。這一方法實現(xiàn)了非接觸式的微型人工肌肉控制,可被應用于微流通道開關控制等領域。在熱致向列相液晶環(huán)境中,實驗實現(xiàn)了微型人工肌肉的方向性游動控制。在溶致膽甾相液晶環(huán)境中,利用微型人工肌肉的多種形態(tài)的彎折引發(fā)出環(huán)境液晶的指向矢重構,這一技術在可重構微結構自組裝與光驅動微機械等領域有潛在的應用。
【關鍵詞】：高定向熱解石墨 寬帶吸波 納米金顆粒 液晶彈性體 人工肌肉
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB383.1
【目錄】：

• 致謝5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-14
• 1 緒論14-34
• 1.1 引言14-15
• 1.2 納米結構材料15-25
• 1.2.1 納米結構表面15-23
• 1.2.2 金納米顆粒23-25
• 1.3 納米結構光吸收材料的兩點應用25-32
• 1.3.1 薄層寬帶光吸收器件25-28
• 1.3.2 光控微型人工肌肉28-32
• 1.4 本論文的章節(jié)安排32-33
• 1.5 本論文的主要創(chuàng)新點33-34
• 2 石墨超薄光吸收器件34-56
• 2.1 結構原理34-45
• 2.1.1 等效介質(zhì)理論34-36
• 2.1.2 FDTD仿真模型36-37
• 2.1.3 參數(shù)分析37-45
• 2.2 石墨納米錐結構的制作與表征45-50
• 2.2.1 納米金顆粒制作與旋涂45-47
• 2.2.2 干法刻蝕與SEM表征47-50
• 2.3 石墨超薄光吸收器件的測試與分析50-53
• 2.3.1 反射光譜測試平臺50-51
• 2.3.2 測試結果與分析51-53
• 2.4 本章小結53-56
• 3 石墨超黑光吸收器件56-72
• 3.1 器件制作與表征56-61
• 3.1.1 干法刻蝕57-60
• 3.1.2 SEM、TEM與Raman表征60-61
• 3.2 結構原理與仿真61-66
• 3.2.1 石墨納米線62-63
• 3.2.2 石墨納米錐63-65
• 3.2.3 納米線與納米錐結構的協(xié)同作用65-66
• 3.3 石墨超黑光吸收器件的測試與分析66-71
• 3.3.1 測試平臺67-68
• 3.3.2 正入射測試68-70
• 3.3.3 傾斜入射與偏振入射測試70-71
• 3.4 本章小結71-72
• 4 光操控微型人工肌肉72-106
• 4.1 材料介紹與制備72-80
• 4.1.1 納米金顆粒72-74
• 4.1.2 液晶彈性體微柱74-76
• 4.1.3 液晶彈性體微柱的納米金顆粒摻雜76
• 4.1.4 液晶及其基本性質(zhì)76-78
• 4.1.5 樣品盒的制作78-80
• 4.2 光學表征與操控系統(tǒng)80-84
• 4.2.1 偏光顯微鏡80-81
• 4.2.2 CARS偏光顯微成像81-82
• 4.2.3 光鑷82-84
• 4.3 材料的光學表征84-86
• 4.4 各向同性環(huán)境中微型人工肌肉的光操控86-94
• 4.4.1 液晶彈性體微柱的光熱響應87-89
• 4.4.2 摻雜納米金顆粒的液晶彈性體微柱的光熱響應89-90
• 4.4.3 材料的光學操控90-94
• 4.4.4 微流通道開關應用94
• 4.5 在各項異性環(huán)境中微型人工肌肉的光操控94-104
• 4.5.1 材料在E31向列相液晶中的操控與分析95-97
• 4.5.2 材料在HPC膽甾相液晶中的操控與分析97-104
• 4.6 本章小結104-106
• 5 總結和展望106-108
• 參考文獻108-122
• 作者簡介122
• 博士期間發(fā)表的文章122

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本文編號：360578