基于蝶翅結構的Fe3O4材料制備及磁光響應性能研究.pdf

1、磁性材料可對外加磁場做出響應，引起了材料學家的廣泛興趣。光子晶體是指介電常數(shù)周期性變化的一類材料，是影響光子運動的規(guī)則光學結構。這種影響類似于半導體晶體對電子行為的控制。光子晶體被美國Science雜志列為21世紀六大研究熱點之一,具有廣闊的應用前景。將光子晶體與磁性材料相結合，科學家們提出了磁性光子晶體的概念?？梢酝ㄟ^外界的磁場對磁性光子晶體中的衍射光進行調(diào)控，同時周期性的光子晶體結構可增強磁性材料的磁光性能，比如克爾磁光效應，法拉第

2、旋轉，這些特性使得其成為了目前磁光功能材料研究的熱點。
　　21世紀是信息科技高速發(fā)展的時代，人們對于低能耗、高響應、光纖通訊系統(tǒng)，以及高效、持久的信息存儲技術的需求日益增加。磁性光子晶體特有的磁-光效應及在磁場下對光可調(diào)控性能，可廣泛應用于磁光器件中。比如利用克爾磁光效應的磁光存儲，利用偏振光通過磁光介質(zhì)發(fā)生偏振面旋轉來調(diào)制光束的磁光調(diào)制器及磁光開關等。在實現(xiàn)低能耗、高響應、無干擾通訊系統(tǒng)和高效、持久的信息存儲方面具有廣泛的應用

3、前景。然而，現(xiàn)階段，磁性光子晶體在設計、制備和實際應用中存在著諸多亟需解決的瓶頸問題：合成磁性光子晶體的條件苛刻，工藝復雜繁瑣，組裝的結構樣式僅限于多層膜和蛋白石結構等。自然界在構筑分級結構及利用其對光進行有效的捕獲和調(diào)控等方面為我們提供了有效借鑒，具有“大自然舞姬”之稱的蝴蝶為精細結構構造與光學功能一體化的典范，其分級有序的精細結構及絢麗奪目的光學行為，滿足其通訊、防偽、求偶等生存的全部需要，體現(xiàn)出獨特的光調(diào)控特性。研究發(fā)現(xiàn)，蝶翅種類

4、多達十七余萬種，涵蓋了從一維，二維到三維的多形態(tài)跨尺度的精細光學結構，為合成相應的光學結構提供了設計思路和廣闊空間。
　　啟迪于自然界生物體結構和組分的優(yōu)化耦合效應，本論文提出以具有的有序分級結構的蝶翅為模板制備新型的磁性光子晶體材料的設想：以蝶翅為模板，采用化學或者物理的轉化工藝保留生物模板微納精細結構的同時，將其成分轉化為磁性材料，期望利用生物模板復制的方法，獲取難以人工制備的磁性光子晶體材料。
　　本論文系統(tǒng)研究了模板

5、法制備磁性光子晶體過程中的組分的轉化，結構復制的機理；從實驗和理論計算兩方面證實了生物模板法制備磁性光子晶體的可行性，并揭示了其光學，磁學的響應性能及磁光耦合效應；為磁性光子晶體材料的理論和實驗研究提供了新的思路。主要內(nèi)容如下：
　　一、以蝶翅為基體原位合成納米四氧化三鐵顆粒的研究。選用具有分級光子晶體結構的異型紫斑蝶作為模板，通過化學處理的方法，在其表面增加活性位點。引導磁性材料四氧化三鐵納米顆粒在其表面原位合成,探索了制備四氧

6、化三鐵/蝶翅復合功能材料的關鍵因素。
　　研究了氧化法、還原法制備磁性四氧化三鐵納米顆粒的化學工藝，最終設計一條水熱反應的合成工藝：利用原始模板的甲殼素生物骨架平衡四氧化三鐵納米顆粒之間的磁相互作用力，成功地在蝴蝶翅膀納米結構表面合成和組裝了四氧化三鐵納米顆粒。制備得到的蝶翅/四氧化三鐵復合光子晶體可在磁鐵的引導下發(fā)生移動,不同結構的蝶翅/四氧化三鐵復合光子晶體具有不同的磁化強度。光學研究表明，復合光子晶體保留了原始蝶翅的光子禁帶

7、，僅在強度上有所減弱。以上的研究工作證實了蝶翅的甲殼素骨架能夠平衡磁相互作用力，并引導納米四氧化三鐵的原位負載，為后續(xù)研究工作的開展提供了實驗依據(jù)。
　　二、以大藍閃蝶的蝶翅鱗片為模板制備三維磁性光子晶體功能材料的溶膠凝膠制備方法。在以蝶翅為模板成功合成出復合型磁性光子晶體材料的基礎上，進一步的研究，提出了直接利用生物模板合成磁性光子晶體的構想。借助蝴蝶精細結構自身的機械張力，采用溶膠凝膠與兩步燒結相結合的方法：第一步采用室溫常壓

8、的浸漬與空氣燒結相結合的工藝，成功地將蝶翅的生物骨架轉化成沒有磁性的三氧化二鐵功能材料；第二步用低濃度的氫氣對三氧化二鐵的功能材料進行部分還原最終獲取完全由四氧化三鐵組分構成的具有自然光子晶體結構的Fe3O4磁性光子晶體。分析表明，在仿生制備的過程中材料能夠達到對生物模板結構從大孔到小孔以至于納米孔的精確復制。在從 PC-α-Fe2O3制備MPC-Fe3O4的過程中，只有化學組成的改變，并沒有影響材料的光子晶體性質(zhì)。
　　三、為了

9、深入研究蝶翅形貌磁性光子晶體的磁光性能。采用FDTD對原始蝶翅及制備得到的磁性光子晶體功能材料進行模擬計算，研究結構、功能和磁場之間的耦合關系。由于目前磁性材料的實驗研究還處于初期階段，實驗制備和測量手段都非常的有限，測試對樣品的表面光滑度的要求也非常的苛刻。因此在這里采用光學的測量和FDTD模擬計算相結合的方式來對制備得到的磁性光子晶體的光學、磁學、磁光性能進行探索研究。測量發(fā)現(xiàn)，當增加外部磁場強度，制備得到的Fe3O4的光子禁帶發(fā)生

10、紅移,并且得到理論計算的證實。該仿生制備技術為從自然生物模板制備三維網(wǎng)狀磁性光子晶體結構提供了一種簡單的有效方法，該制備工藝對磁光器件的實驗和理論研究都具有指導意義。
　　四、基于整片蝶翅磁性光子晶體的光學結構的復雜性，及表面的粗糙度，以及在研究及應用上的限制，從單個光學結構單元的角度出發(fā)，選取單個蝶翅鱗片為模板來制備磁光材料。在以上成果的研究基礎上，重新設計合成的工藝，成功制備具有單個鱗片的Fe2O3，F(xiàn)e3O4功能材料。在單鱗