纳米磁流体的磁光性质及其在新型磁性光学材料中的应用研究

摘要

磁流体是一种具有磁性的,可调谐的光学功能纳米材料。它是由纳米级的强磁性颗粒高度弥散于某种液体之中所形成的稳定的胶体体系。本论文在研究纳米磁流体的相关光学性质,以及讨论其在光子器件中的应用基础上,探讨了基于纳米磁流体的各种新型磁性纳米光学材料。　　 磁流体在磁场作用下显示出比较显著的双折射效应。我们研究了磁性颗粒半径为10nm的水基Fe3O1磁流体双折射效应对于外加磁场的强度和入射激光波长依赖关系的理论分析和实验现象研究。结果表明,磁致双折射效应的强弱和磁流体中磁性颗粒的团簇程度成正比,并建立了磁致双折射效应和磁性颗粒团簇效应的半定量关系。　　 在传统的磁流体基础上,我们还讨论了在磁流体中掺杂非磁性的纳米二氧化硅粉末的体系。对掺杂磁流体体系的磁光效应进行了理论和实验的研究。经过研究我们发现,掺杂以后,磁流体中的磁性颗粒的团簇效应被抑制了,并且其掺杂比可以作为调控磁流体的双折射性质的一个有效的参数。　　 我们运用Monte-Carlo方法模拟了新型纳米磁性颗粒的自组装效应以及磁化强度的演化过程。研究结果表明,颗粒的直径大小对于颗粒的自组装形貌来说,是一个非常重要的因素。即使在未加磁场的情况下都非常容易使颗粒间发生团簇,影响体系的稳定性。磁性胶体中的颗粒大小,粒子表面单位面积内表面活性剂长链分子数,以及浓度等参数,对于体系磁化强度的演化过程都会产生非常大的作用。同时,我们也在实验上观察到了,在存在磁场的情况下,新型磁性纳米颗粒的自组装行为。　　 由于磁流体的吸收系数相对较大,影响了其在光子器件以及光通信领域的应用。为此我们研究了一种基于纳米磁流体和多孔氧化铝薄膜的新型纳米磁光材料。对这种新型的磁性光学纳米结构的制备过程,光透过率以及磁光效应进行了研究。与传统的磁流体相比,该材料具有更好的光透射性质。同时,发现了该材料的一个独特磁光性质:负梯度磁线性二向色性,与传统磁流体的郎之万型的磁线性二向色性有很大的区别。该现象可以用两种平均直径不同的磁畴间的反铁磁耦合现象来解释。该新型材料将对未来集成光器件有着潜在的应用价值。

目录

文摘

英文文摘

上海交通大学博士学位论文答辩决议书

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 磁流体的发展历史

1.3 磁流体在各领域的应用

1.4 磁流体在光学上的应用

1.4.1 磁流体起偏器

1.4.2 磁流体COTTON-MOUTON效应的应用

1.4.3 磁流体热透镜效应的应用

1.4.4 磁流体可调谐折射率的应用

1.4.5 磁流体可调谐衍射特性及可调谐磁流体光子晶体

1.4.6 磁流体光学性质应用的研究概况

1.5 本论文的主要研究内容和章节安排

参考文献

第二章 纳米磁流体双折射效应以及颗粒团簇的研究

2.1 引言

2.2 磁流体磁致双折射效应及理论分析模拟

2.2.1 理论分析模型

2.2.2 磁致双折射效应理论模拟结果

2.3 实验结构示意图

2.4 实验结果分析与讨论

2.4.1 磁致双折射效应与磁流体浓度的关系

2.4.2 磁致双折射效应与光波长的关系

2.4.3 磁致双折射效应与磁流体团簇效应的关系

2.5 本章小结

参考文献

第三章 掺杂纳米磁流体双折射效应以及颗粒团簇抑制研究

3.1 引言

3.2 掺杂磁流体的双折射效应实验研究

3.2.1 掺杂磁流体的样品制备

3.2.2 实验结构示意图

3.2.3 实验结果

3.3 掺杂磁流体的双折射效应理论模型与实验现象分析

3.3.1 理论模型

3.3.2 实验现象分析

3.4 掺杂磁流体在光子器件中的应用研究

3.5 本章小结

参考文献

第四章 基于MONTE-CARLO方法的新型磁性颗粒自组装行为以及磁化曲线研究

4.1 引言

4.2 运用MONTE-CARLO方法模拟新型磁性颗粒的自组装行为以及实验研究

4.2.1 MONTE-CARLO方法简介

4.2.2 运用MONTE-CARLO方法模拟新型磁性颗粒的自组装行为

4.2.3 实验研究

4.3 运用MONTE-CARLO方法模拟新型磁性颗粒在磁场作用下的磁化曲线

4.3.1 磁化强度演化过程与颗粒大小的关系

4.3.2 磁化强度演化过程与颗粒浓度的关系

4.4 本章小结

参考文献

第五章 基于纳米磁流体和多孔氧化铝薄膜的新型纳米磁光材料的研究

5.1 引言

5.2 样品制备

5.2.1 多孔氧化铝薄膜(AAO)简介

5.2.2 样品制备方法及实验结果

5.3 样品材料磁光性质研究

5.3.1 样品材料光学透过率特性研究

5.3.2 样品材料磁光特性研究

5.3.3 对材料的光学性质研究的实验结果的分析

5.4 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6.1 本论文的工作总结

6.2 今后的工作展望

攻读博士学位期间的成果

致谢