自然界中的光子晶体构色机制研究

摘要

光子晶体的出现使得人为控制光子的行为不再是天方夜谭。自光子晶体的概念提出以来，其独特的性质吸引人们对于光子晶体的理论模拟和微制作等展开了全面研究。光子带隙的完美反射特性在结构生色机制中扮演了专家的角色，而自然界中光子晶体的发现又掀起了世界范围内广泛研究结构色的热潮。生物可以用结构生色机制实现色素生色机制所不能实现的色彩效应。研究生物的结构色，不但可以揭示色彩产生的物理机制和生物体的调控色彩的机制，还能为各种光子晶体器件的制备或者其他微纳结构的设计、制备和应用提供有价值的思路。由于结构色相比于色素色所表现出来的优良特性，结构生色机制在未来仿生、军事、纺织等许多行业都具有潜在应用价值。本论文主要研究生物界中的结构生色机理，包括孔雀、绿带翠凤蝶、太阳蛾、青光绿金龟子。并进行了层状结构的仿生制备，通过不同的入射角度得到具有不同带隙位置的样本，显示出不同的结构色彩。
　　本论文开展的研究主要包括如下内容:
　　1、对雄性孔雀尾羽上的靓丽眼斑进行了分析，发现其色彩来源于羽枝上的二维光子晶体结构，并对比了雌性孔雀羽毛的色彩和结构。
　　2、对绿带翠风蝶和太阳蛾的翅膀表面的鳞片结构进行了研究，发现其强烈的虹彩色来源于相应区域的小鳞片结构内部的层状结构，对太阳蛾的进一步分析发现小鳞片的弯曲程度对于翅膀色彩的形成具有重要意义。
　　3、对青光绿金龟子的鞘翅表面所具有的明亮金属色进行了分析，揭示其色彩来源于鞘翅外表皮上的壳质-空气组成的层状结构。
　　4、采用自主设计的光路进行了一维光子晶体制备，通过不同的入射角度制备出三种结构色彩，光斑均匀，色泽明亮，并对所制备的样本进行了光谱分析和结构表征。

目录

摘要

第一章 前言

1．1 光子晶体的基本概念

1．1．1 光子晶体的定义

1．1．2 光子晶体的特性

1．1．3 光于晶体的分类

1．2 光子晶体的制备和应用

1．3 生物色彩的形成方式

1．3．1 色素色

1．3．2 结构色

1．4 生物光子晶体构色

1．4．1 鲍鱼壳中的一维光子晶体结构

1．4．2 海老鼠毛发中的二维光于晶体结构

1．4．3 象鼻虫中的三维光于晶体结构

1．4．4 复合光于晶体结构

1．5 仿生结构加工现状

1．6 论文的研究意义和文章内容

第二章 生物体表结构色实验表征方法

2．1 肉眼观察

2．2 光学显微镜观察

2．3 扫描电子显微镜观察

2．4 光谱测量

2．5 蝴蝶翅膀包埋

第三章 孔雀羽毛的色彩分析

3．1 孔雀羽毛颜色表征

3．2 光谱分析

3．2．1 正入射下的反射光谱

3．2．2 不同入射角度下的光谱图

3．2．3 随时间变化的光谱图

3．3 SEM图像对比与分析

3．3．1 雄性孔雀靓丽“眼斑”

3．3．2 雌性孔雀羽毛SEM分析

3．4 结论

第四章 蝴蝶和飞蛾翅膀表面的闪耀色彩分析

4．1 绿带翠风蝶的闪耀绿色

4．1．1 颜色表征

4．1．2 绿带翠风蝶翅膀表面微结构SEM分析

4．1．3 绿带翠凤蝶翅膀断面结构SEM分析

4．1．4 光谱分析

4．2 太阳蛾的光彩夺目

4．2．1 颜色表征

4．2．2 太阳蛾翅膀断面结构SEM分析

4．2．3 橙色和绿色区域的表面SEM分析

4．2．4 改变鳞片弯血程度及内部结构折射率

4．2．5 弯曲小鳞片的光学模型

4．3 小结

第五章 青光绿金龟子鞘翅荧光色研究

5．1 鞘翅结构的SEM分析

5．1．1 表面结构分析

5．1．2 断面结构分析

5．2 光谱分析

5．3 经加热处理后的鞘翅颜色表征

5．4 理论计算

第六章 结构色的实验室制备

6．1 一维光子晶体构色机理

6．2 制备原理

6．3 结果分析

6．3．1 颜色分析

6．3．2 光谱分析

6．3．3 带隙计算

6．3．4 样品横断面SEM分析

6．4 小结

总结

创新之处

今后的工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

声明