具有蝶翅单鳞片结构材料的制备及光学性能研究

摘要

当今社会信息量日益膨胀，迫切需要对目前以电子为信息载体的器件进一步集成化与微型化。然而，由于电子本身所固有的物理特性所带来的局限性，该过程遇到了越来越多的技术瓶颈，迫使人们探索除电子以外的新信息载体。1987年，Yablonovitch等首次提出了通过控制高维周期性介电体结构，可人为制造光带隙的学术思想。这类结构在空间各个方向上可禁止一定波长的电磁波在其内部传递，被称为光子晶体(Photonic Crystals)。类似电子器件中利用半导体带隙对载流子输运进行控制，光子器件中可利用光子晶体的光带隙对光子输运进行调控，在新的纳米技术、光子计算机、光子芯片等领域有广泛的应用前景。然而，光子晶体特别是三维(3D)光子晶体的制备非常困难，极大的阻碍了基础及应用研究的开展。可以对可见光及近红外光进行调控的3D光子晶体需要有亚微米尺度的3D周期性结构，在目前的科技水平下，世界范围内尚无成熟有效的方法可以制得。因此探索新的光子晶体获取手段对于深化光子晶体理论研究、拓展其潜在应用具有重要的学术价值与现实意义。
　　近年来研究发现，自然界物种经过亿万年的进化，在适者生存的自然法则筛选下演变出了多种多样的多尺度复杂精细结构。其中多种物种具有亚微米级的周期性结构，并表现出天然的光子晶体特征。某些蝴蝶翅膀天然呈现出具有金属光泽的蓝色，研究表明这种颜色与蝴蝶翅膀上鳞片的分级精细结构有关。蝴蝶翅膀鳞片这种结构类似于光子晶体结构，对光存在调制作用。
　　本课题组从2003年开始研究蝴蝶翅膀上复杂的鳞片结构。并采用先进的合成方法成功的将原始蝴蝶模板转化成为能够保持原始结构的ZnO、TiO2、ZrO2等功能氧化物材料，并率先研究其结构与性能之间的耦合效应。然而之前的研究工作主要以整块蝴蝶翅膀为研究对象，而实际上蝴蝶翅膀包含有复杂的结构，并且分别实现不同的功能。整块蝴蝶翅膀相当于一个复杂的系统，通过叠加不同结构的鳞片实现特定的功能。研究表明，蝴蝶翅膀上真正的结构和功能单元是尺寸约为～100×50μm的单鳞片。因此本研究率先提出以单个蝶翅鳞片作为研究对象，并在已有的浸渍方法的基础上提出了一种新的合成方法。选用两种典型的蓝闪蝶(Morpho Didius和Morpho Menelaus)为研究对象，详细研究了其前翅背面能折射金属光泽般蓝光的蓝色鳞片(Ground scales)和透明鳞片(Coverscales)的反射、透射特性;找到了一种具有棱状周期结构所具有的、共性的光学特性，即对光的空间取向性（折光的空间各向异性）;并在此基础上探讨了以单鳞片为模板的合成工艺。新工艺中采用真空预处理的方式成功的控制高温去模板过程中模板的收缩方向，从而在合成的材料中保持了原始模板的部分周期尺寸，并得到了能够保留原始模板折光空间各向异性光学性能的ZrO2、ZnO、BaTiO3等材料。本论文的主要工作和结果如下:
　　1.蝶翅上覆盖的单鳞片所具有鳞片结构具有折光空间各向异性，其反射特性由反射参数θ和ψ决定(θ:入射光在鳞片所在平面的投影与鳞片主棱之间的夹角;ψ:入射光与鳞片法线的夹角)。
　　2.蓝闪蝶前翅背部的ground scale，是一种非严格周期的主棱条纹结构，其主要折射蓝光区域集中在θ=90°±10°和270°±10°;偏离最强反射区10°，反射强度将降低10倍;由于这种鳞片结构不具备严格的周期尺寸，因此反射谱在θ分别为90°±10°和270°±10°的区域不具备对称性。
　　3.蓝闪蝶前翅背部的cover scale，是一种白色透明的鳞片，具有一种三维的光子晶体结构以及多达三种以上的周期单元，并且每种周期都具有严格的周期尺寸。当入射光在θ=180°附近时，鳞片折射蓝光，而当入射光分别在θ=90°，270°附近时，鳞片折射红光。其主周期尺寸（两主棱之间的距离），决定红光波段反射峰的位置;而主棱上面的次级“肋骨”结构则决定蓝光波段反射峰的位置。
　　4.通过重新设计反射、透射光谱测试装置，以研究单鳞片反射、透射特性在空间取向上的关系。研究表明，蝶翅鳞片结构的细微差别能够影响其角分辨反射光谱。通过对角分辨反射光谱的测试能够找到光与结构之间耦合关系的信息。
　　5.重新设计合成工艺。以单鳞片为模板制备具有鳞片原始结构的ZrO2、ZnO、BaTiO3等功能材料。研究表明控制原始模板分解温度是单鳞片薄膜合成过程中最重要的因素。对于蓝闪蝶前翅ground scale，采用先真空800℃碳化处理，后500℃马弗炉烧结的工艺能够得到结构保持完整的单鳞片薄膜;而对于蓝闪蝶前翅cover scale，热处理工艺为先真空500℃碳化处理，后500℃马弗炉烧结。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1．引言

1．2．自然界的生物精细结构

1．3．蝴蝶翅膀微观结构与相关性能的研究进展

1．3．1．蝴蝶翅膀的结构特点

1．3．2．蝶翅结构和功能的研究现状

1．3．3．原始蝴蝶成色机理与功能应用研究进展

1．3．4．蝴蝶模板法研究进展

1．4．选题意义及研究内容

参考文献

第二章 单鳞片模板制备法

2．1．前言

2．2．单鳞片模板制备的必要性

2．2．1．整块翅膀模板法制备大块幻彩薄膜

2．2．2．薄膜材料的形貌表征

2．2．3．薄膜材料的微区光学性能

2．2．4．整块翅膀模板法制备薄膜材料的缺点

2．3．单鳞片模板合成法

2．3．1．单鳞片模板制备法流程

2．3．2．模板选择

2．3．3．前驱液的配制

2．3．4．单鳞片的获取

2．3．5．去模板烧结过程

2．3．6．表征方法

2．4．本章小结

参考文献

第三章 ZnO单鳞片的制备工艺及光学性能研究

3．1．前言

3．2．以单鳞片为模板制备ZnO光学薄膜

3．2．1．模板选择

3．2．2．前驱液制备与高温烧结工艺

3．2．3．性能测试

3．3．不同周期尺寸对反射光谱的影响

3．3．1．具有相似结构、不同周期的鳞片的选取

3．3．2．两种蓝闪蝶前翅背部ground soale的光学性能差异对比和表征

3．3．3．两种蓝闪蝶前翅背部cover soale的光学性能差异对比和表征

3．3．4．鳞片A与C的单鳞片转化工艺与性能对比

3．4．本章小结

参考文献

第四章 ZrO2单鳞片的制备工艺及光学性能研究

4．1．前言

4．2．不同方法制备氧化锆纳米颗粒的对比

4．2．1．溶胶凝胶法制备纳米ZrO2

4．2．2．模板法制备纳米ZrO2

4．3．以单鳞片为模板制备ZrO2光学薄膜

4．3．1．模板选择

4．3．2．前驱液制备与单鳞片ZrO2薄膜的合成工艺

4．3．3．Morpho Didius前翅背部cover scales光学性能

4．4．以单鳞片为模板制备多晶空心ZrO2纳米线

4．4．1．空心ZrO2纳米线的合成

4．4．2．形貌表征

4．5．本章小结

参考文献

第五章 BaTiO3单鳞片薄膜的制备及性能表征

5．1．前言

5．2．溶胶-凝胶法制备BaTiO3粉体

5．2．1．实验主要原料

5．2．2．原料的配制

5．2．3．纳米BaTiO3颗粒的生成

5．3．以单鳞片为模板制备BaTiO3功能材料

5．3．1．模板选择

5．3．2．BaTiO3溶胶前驱液的配置

5．3．3．模板法制备单鳞片钛酸钡薄膜

5．3．4．分析测试

5．4．本章小结

参考文献

第六章 光固化快速成型在制备蝶翅单鳞片结构方面的应用

6．1．前言

6．2．快速成型技术概述

6．3．SL工艺成型原理及特点

6．4．蜂窝结构多层膜的设计与制备

6．4．1．单层蜂窝结构电磁特性模拟

6．4．2．多层蜂窝结构电磁特性模拟

6．4．3．多层蜂窝结构的SL方法制备

6．5．蝴蝶无序多孔膜结构的SL方法制备

6．6．本章小结

参考文献

第七章 结论与创新点

致谢

攻读博士学位期间已发表或录用的论文