微结构表面功能材料的制备及其热辐射光谱特性研究

摘要

近年来，利用微结构来控制材料表面热辐射光谱特性的研究取得了长足进步，已有研究表明，当物质的特征尺寸接近于热辐射波长时，热辐射问题将与宏观热辐射问题截然不同，微结构表现出良好的热辐射光谱选择控制特性。利用微结构实现热辐射光谱特性控制的基本方法是:针对具体目标控制波段的光谱特性要求，选取合适的材料，设计得到具有一定形态特征的微结构，从而更好地实现热辐射能量传递及热辐射光谱控制。因此，微结构光谱控制在航天器热控制技术、太阳能技术、制造技术以及材料工业等领域都具有重要的应用前景。基于热致变色原理的钙钛矿锰氧化物由于其独特的表面热辐射性能而可用于航天器的智能热控制，但由于受到自身属性的限制，材料的热致变色效果不尽如人意，这严重影响了它在航天器智能热控涂层方面的应用。目前，利用太阳能发电主要使用的是以晶体硅为基底的太阳能光伏电池，但存在着成本高、转换效率低的问题，因此，如何提高太阳能光伏电池的转换效率以降低成本就显得至关重要。基于此，本文以微结构表面热辐射光谱特性为主要研究对象，通过在钙钛矿锰和单晶硅表面构造微结构来研究微结构对功能材料热辐射光谱特性的调控作用，希望能对工程应用产生一定的指导作用。本文具体研究内容包括以下几个方面:
　　1、一维、二维周期性热致变色材料的制备
　　采用固相反应法制备出了多种不同组分大块体的钙钛矿锰热致变色材料，并研究了掺杂比例、烧结温度等制备工艺对材料结构和性能的影响。利用光刻蚀技术在钙钛矿锰材料表面构造出了一维光栅结构和二维孔穴阵列结构，并研究了刻蚀工艺对微结构性能的影响。构造得到光栅结构的周期约为10μm，光栅槽宽为6.0μm，槽深为2.0μm;孔穴阵列结构的周期约为10μm，孔穴直径为6.0μm，孔深为2.0μm。
　　2、一维、二维周期性热致变色材料的热辐射光谱特性研究
　　对实验制备出的构造有不同微结构表面的钙钛矿锰样品进行了光学测试，进而通过计算得到了材料的表面热辐射特性，研究了一维光栅结构和二维孔穴阵列结构表面对钙钛矿锰材料热致变色性能的影响，并分析了产生这些影响的原因。测试结果表明，构造有一维光栅和二维孔穴阵列结构的热致变色表面热辐射性能均得到增强，对于具有光栅结构表面的La0.825Sr0.175MnO3材料，其热致变色性能得到显著改善。
　　3、三维有序大孔(3DOM)热致变色材料的制备
　　三维有序大孔(3DOM)材料是一种典型的三维光子晶体材料。采用胶晶模板法制备出了三维有序大孔的钙钛矿锰材料，通过改变实验条件，制备出了多种不同孔径、不同组分的热致变色功能材料，并研究了不同制备工艺对材料结构和性能的影响。实验结果表明，制备得到的热致变色功能材料有序性较好，3DOM结构完整，且已形成单相钙钛矿结构。
　　4、三维有序大孔(3DOM)热致变色材料的热辐射光谱特性研究
　　研究了三维有序PS胶体晶体的光学性能，由于3DOM结构完全是PS胶晶模板的逆复制，三维有序PS胶体晶体的质量会直接影响到3DOM材料的结构，因此，研究三维有序PS胶体晶体的光学性能也具有非常重要的意义。对实验制备出的具有不同孔径、不同组分三维有序大孔的钙钛矿锰样品进行了光学测试，得到了其表面热辐射特性。实验结果表明，得到的PS胶体晶体三维有序性较好，具有明显的光子禁带效应，而3DOM结构材料的光子禁带效应不太明显。同时，3DOM材料均具有较高的发射率，但材料的热致变色性能不太显著。
　　5、单晶硅(Si)微结构表面的制备及其热辐射光谱特性研究
　　以单层紧密排列的PS胶体晶体为掩模板，分别采用等离子体刻蚀(PE)、电感耦合等离子体刻蚀(ICP)和反应离子刻蚀(RIE)技术在单晶硅(Si)表面构造出了一定的纳米微结构，并研究了不同刻蚀工艺对微结构性能的影响。对构造的微结构表面进行了光学测试，研究了微结构对光谱特性的调控作用。实验结果表明，采用等离子体刻蚀方法能在单晶硅表面构造出较完整的周期性微结构，而电感耦合等离子体刻蚀和反应离子刻蚀得不到明显的周期性结构。光学测试结果表明，构造的微结构表面均能有效降低晶体硅材料的光谱反射率，同时，具有一定周期性的纳米柱微结构表面的光谱反射率要明显低于随机结构表面的光谱反射率。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 前言

1．2 热致变色材料简介

1．3 单晶硅(Si)材料简介

1．4 本文主要工作简介

2 一维、二维周期性热致变色材料的制备

2．1 钙钛矿型材料的制备方法概述

2．1．1 钙钛矿型材料的主要制备方法

2．1．2 固相反应法简介

2．2 块体热致变色材料的制备

2．2．1 具体实验方法与流程

2．2．2 材料的性能表征

2．3 光刻蚀技术介绍

2．3．1 光刻工艺概述

2．3．2 刻蚀技术概述

2．4 周期性微结构的构造

2．4．1 具体实验过程

2．4．2 微结构的性能表征

2．5 本章小结

3 一维、二维周期性热致变色材料的热辐射光谱特性研究

3．1 微结构表面的反射性能研究

3．1．1 测试方法

3．1．2 测试结果分析

3．2 微结构表面的光谱发射率研究

3．2．1 发射率的计算方法

3．2．2 实验结果分析

3．3 本章小结

4 三维有序大孔(3DOM)热致变色材料的制备

4．1 胶晶模板法介绍

4．1．1 胶体微球概述

4．1．2 胶体晶体模板的组装

4．1．3 目标产物的渗透、填充

4．1．4 胶体晶体模板的去除

4．2 具体实验过程

4．2．1 主要实验试剂

4．2．2 PS胶体微球的合成

4．2．3 PS胶体晶体的组装

4．2．4 前驱物溶液的渗透、填充

4．2．5 3DOM材料的制备

4．3 结果与讨论

4．3．1 煅烧温度对3DOM材料的影响

4．3．2 材料组分对3DOM材料的影响

4．3．3 胶体微球粒径对3DOM材料的影响

4．3．4 胶晶模板层数对3DOM材料的影响

4．3．5 氧气通入量对3DOM材料的影响

4．3．6 前驱溶液溶剂对3DOM材料的影响

4．3．7 填充次数对3DOM材料的影响

4．3．8 有机溶剂腐蚀去除胶体晶体模板

4．4 本章小结

5 三维有序大孔(3DOM)热致变色材料的热辐射光谱特性研究

5．1 PS胶体晶体的光学性能研究

5．1．1 布拉格(Bragg)衍射

5．1．2 PS胶体晶体的透射性能研究

5．2 3DOM材料的热辐射性能研究

5．2．1 3DOM材料的透射性能研究

5．2．2 3DOM材料的反射性能研究

5．2．3 3DOM材料的光谱发射率研究

5．3 热平衡法测试3DOM材料的热辐射性能

5．3．1 3DOM材料的相变特性研究

5．3．2 3DOM材料的光谱发射率研究

5．4 本章小结

6 单晶硅(Si)微结构表面的制备及其热辐射光谱特性研究

6．1 单晶硅(Si)微结构表面的制备

6．1．1 刻蚀方法介绍

6．1．2 具体实验过程

6．1．3 刻蚀结果分析

6．2 微结构表面的光学性能研究

6．2．1 测试方法

6．2．2 测试结果分析

6．3 本章小结

7 结束语

7．1 主要结论

7．2 主要创新点

7．3 下一步工作展望

致谢

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参考文献