具有蝶翅減反射準(zhǔn)周期性微納結(jié)構(gòu)的功能材料制備及性能研究.pdf

1、金屬、金屬與半導(dǎo)體耦合（金屬/半導(dǎo)體）的功能材料為當(dāng)今材料研究的前沿?zé)狳c(diǎn)，并廣泛應(yīng)用于光吸收、光探測(cè)、光波導(dǎo)、光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換、光催化、生物標(biāo)記、醫(yī)學(xué)成像、氣敏探測(cè)等領(lǐng)域。目前，材料成分與功能結(jié)構(gòu)耦合的研究為功能材料性能的優(yōu)化、擴(kuò)展、革新提供了新的思路和途徑。自然界中生物體優(yōu)異的結(jié)構(gòu)與成分一體化設(shè)計(jì)，為材料成分與功能結(jié)構(gòu)耦合的設(shè)計(jì)研究提供了啟迪。生物體為了生存、繁衍，經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化，具有復(fù)雜的多維分級(jí)精細(xì)功能結(jié)構(gòu)，這些精細(xì)功能結(jié)構(gòu)與

2、生物體相應(yīng)成分耦合，實(shí)現(xiàn)了材料與結(jié)構(gòu)的一體化，使生物體擁有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等功能特性。蝴蝶正是這種材料與精細(xì)功能結(jié)構(gòu)耦合實(shí)現(xiàn)各種優(yōu)異性能的典型實(shí)例，有自然界的精靈之稱。蝶翅復(fù)雜的多維分級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)使蝴蝶成為自然界最絢麗多彩的物種之一。其中，具有減反射準(zhǔn)周期性微納結(jié)構(gòu)的黑色蝶翅，擁有優(yōu)異的光吸收、光熱轉(zhuǎn)換特性。通過(guò)吸收太陽(yáng)能及光熱轉(zhuǎn)換，來(lái)實(shí)現(xiàn)自加熱過(guò)程，提供生存所需的熱量。
　　啟迪于自然，借鑒自然界具有優(yōu)異特性的精

3、細(xì)功能結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)金屬、金屬/半導(dǎo)體與精細(xì)功能結(jié)構(gòu)耦合，優(yōu)化、擴(kuò)展、革新金屬、金屬/半導(dǎo)體材料的功能特性。然而受目前科學(xué)技術(shù)的限制，很難直接制備具有三維復(fù)雜多級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)的金屬、金屬/半導(dǎo)體功能材料，從而制約了金屬、金屬/半導(dǎo)體功能材料性能的擴(kuò)展、優(yōu)化，及其在光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用；并限制了人們對(duì)金屬與半導(dǎo)體功能材料之間的耦合效應(yīng)的系統(tǒng)研究；此外，還制約了金屬、金屬/半導(dǎo)體與其三維復(fù)雜多級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)的一體

4、化效應(yīng)的系統(tǒng)研究。因此，當(dāng)今迫切需要開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)捷、通用的制備方法來(lái)制備具有三維復(fù)雜多級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)的金屬、金屬/半導(dǎo)體功能材料，從而實(shí)現(xiàn)材料性能的優(yōu)化、擴(kuò)展及革新；并探究材料之間的耦合效應(yīng)及材料與結(jié)構(gòu)一體化對(duì)功能材料性能的影響。
　　本研究為了解決具有精細(xì)功能結(jié)構(gòu)的金屬、金屬/半導(dǎo)體功能材料的制備及性能研究所面臨的技術(shù)及科學(xué)問(wèn)題，通過(guò)“師法自然”，從自然界獲取靈感，以自然界中某些具有三維復(fù)雜多級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)的蝶翅為模板結(jié)合化學(xué)合成技術(shù)來(lái)實(shí)

5、現(xiàn)具有三維復(fù)雜多級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)的金屬、金屬/半導(dǎo)體功能材料的制備。并且通過(guò)對(duì)已有的納米材料合成技術(shù)及仿生遺態(tài)材料制備技術(shù)的再設(shè)計(jì)，制備了具有蝶翅三維復(fù)雜多級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)特性的碳基金屬、金屬/半導(dǎo)體功能材料。揭示了金屬納米顆粒的等離子體與蝶翅減反射準(zhǔn)周期性微納結(jié)構(gòu)（AQPS）之間的耦合效應(yīng)與光吸收之間的內(nèi)在聯(lián)系。研究了金屬與半導(dǎo)體的耦合并與蝶翅 AQPS相結(jié)合進(jìn)一步加強(qiáng)寬波段紅外光吸收及紅外光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)及物理建模綜合分析了金屬等離子效應(yīng)

6、與AQPS耦合，及金屬/半導(dǎo)體與AQPS一體化效應(yīng)加強(qiáng)紅外光吸收及光熱轉(zhuǎn)換機(jī)制?；谝陨霞t外光響應(yīng)機(jī)制及等離子體光熱轉(zhuǎn)換機(jī)制的研究，制備了具有優(yōu)異的紅外光熱致磁變性能的磁性、等離子體一體化碳基鎳“蝶翅”。把光磁響應(yīng)擴(kuò)展到了紅外波段，并研究了紅外光熱致磁變機(jī)制。本研究主要內(nèi)容及結(jié)果如下：
　　1.對(duì)比研究金、銀、銅納米顆粒的等離子體效應(yīng)與兩種均具有吸光特性的蝶翅 AQPS的耦合加強(qiáng)寬波段紅外光吸收。從而為吸光蝶翅模板的選擇提供了指導(dǎo)

7、。優(yōu)化模板成分，制備了碳基銀“蝶翅”實(shí)現(xiàn)了等離子體振蕩、近鄰等離子體振蕩相互作用與碳基 AQPS的耦合，從而具有優(yōu)異的寬波段紅外吸收性能。揭示金屬納米顆粒與蝶翅三維分級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)耦合與光吸收之間的內(nèi)在聯(lián)系，即金屬納米顆粒等離子體效應(yīng)及近鄰等離子體相互作用加強(qiáng)入射光波電磁場(chǎng)在等離子體表面和近鄰等離子體之間聚集放大；同時(shí)，等離子體效應(yīng)和近鄰等離子體相互作用與 AQPS耦合，使入射光波電磁場(chǎng)在AQPS表面聚集放大，促進(jìn)寬波段紅外光吸收。并提出了

8、金屬等離子體效應(yīng)及等離子體近鄰效應(yīng)與減反射周期性分級(jí)微納結(jié)構(gòu)耦合加強(qiáng)寬波段紅外光吸收這一寬波段紅外光吸收機(jī)制。
　　2.研究了金屬、半導(dǎo)體的耦合，金屬/半導(dǎo)體耦合納米顆粒與蝶翅AQPS一體化的耦合機(jī)制和紅外光吸收、紅外光熱轉(zhuǎn)換及太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換特性。在宏觀厘米尺度下制備了具有 AQPS的金屬/半導(dǎo)體（Au-CuS）耦合的功能材料。所制備的金屬/半導(dǎo)體耦合的功能材料具有優(yōu)異的寬波段光吸收性能和低反射特性；特別在近紅外波段，具有優(yōu)異的寬

9、波段紅外吸收特性，甚至在中紅外波段也有加強(qiáng)的光吸收性能。由于其結(jié)合了優(yōu)異的光吸收AQPS（物理因子）和優(yōu)異的紅外光吸收和光熱轉(zhuǎn)換材料（化學(xué)因子），使的所制備的金屬/半導(dǎo)體耦合的功能材料具有優(yōu)異的紅外光熱轉(zhuǎn)換效率（30.56％）；并且在熱發(fā)射比小于0.600的情況下（僅為0.566）實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)光吸收比的突破，達(dá)到了98%。同時(shí)，在低溫工作區(qū)域（T<60 oC），所制備的金屬/半導(dǎo)體耦合的功能材料還表現(xiàn)出了優(yōu)異的太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換性能。從而為紅

10、外光應(yīng)用、太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換提供了一條全新的指導(dǎo)路徑，并且有望應(yīng)用于光電、光熱電、熱光電、紅外成像等領(lǐng)域。
　　3.提出了等離子體-激子/等離子體耦合效應(yīng)和近鄰等離子體振蕩相互作用與 AQPS耦合加強(qiáng)寬波段紅外吸收這一理論機(jī)制，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析和FDTD計(jì)算模擬證明了所提出的加強(qiáng)寬波段紅外光吸收機(jī)制。同時(shí)，結(jié)合FDTD計(jì)算模擬與焦耳效應(yīng)對(duì)金屬/半導(dǎo)體功能材料光熱轉(zhuǎn)換進(jìn)行了計(jì)算模擬，發(fā)現(xiàn)熱源產(chǎn)生于光熱轉(zhuǎn)換材料（Au納米顆粒和CuS納米顆粒

11、），并且在兩個(gè)近鄰等離子體區(qū)域，其熱源密度更強(qiáng)。從而說(shuō)明了近鄰等離子體振蕩系統(tǒng)的耦合效應(yīng)增強(qiáng)熱能產(chǎn)生。提出了近鄰等離子體耦合效應(yīng)增強(qiáng)光熱轉(zhuǎn)換促進(jìn)熱能產(chǎn)生這一增強(qiáng)熱能產(chǎn)生機(jī)制。該研究對(duì)今后的寬波段紅外吸收、紅外光熱轉(zhuǎn)換及太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換材料的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)具有理論指導(dǎo)意義。
　　4.基于以上紅外光吸收及光熱轉(zhuǎn)換機(jī)制的研究，本研究制備了具有AQPS的碳基磁性-等離子體一體化功能薄膜材料。其耦合了磁性鎳納米顆粒的等離子體光熱轉(zhuǎn)換、AQPS光吸

12、收結(jié)構(gòu)及碳基紅外光吸收與光熱轉(zhuǎn)換材料，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的紅外光熱轉(zhuǎn)換性能及紅外光熱致磁變性能。揭示了磁性-等離子體一體化與碳基減反射周期性微納結(jié)構(gòu)的耦合。紅外光熱效應(yīng)使碳基磁性-等離子體一體化功能薄膜材料的溫度升高，磁性原子之間的距離增大，磁性原子之間的交互相互作用降低；與此同時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)破壞了原子磁矩的規(guī)則取向，降低自發(fā)磁化強(qiáng)度，從而導(dǎo)致磁性能變化。本研究將光磁效應(yīng)擴(kuò)展到了紅外光波段。
　　本研究將對(duì)當(dāng)今材料設(shè)計(jì)要求多層次多維數(shù)乃至