具有蝶翅減反射準周期性微納結(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）的功能材料為當今材料研究的前沿熱點，并廣泛應(yīng)用于光吸收、光探測、光波導(dǎo)、光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換、光催化、生物標記、醫(yī)學成像、氣敏探測等領(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，為材料成分與功能結(jié)構(gòu)耦合的設(shè)計研究提供了啟迪。生物體為了生存、繁衍，經(jīng)過億萬年的進化，具有復(fù)雜的多維分級精細功能結(jié)構(gòu)，這些精細功能結(jié)構(gòu)與

2、生物體相應(yīng)成分耦合，實現(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、熱學、光學、電學、磁學等功能特性。蝴蝶正是這種材料與精細功能結(jié)構(gòu)耦合實現(xiàn)各種優(yōu)異性能的典型實例，有自然界的精靈之稱。蝶翅復(fù)雜的多維分級精細結(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。通過吸收太陽能及光熱轉(zhuǎn)換，來實現(xiàn)自加熱過程，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、細功能結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)金屬、金屬/半導(dǎo)體與精細功能結(jié)構(gòu)耦合，優(yōu)化、擴展、革新金屬、金屬/半導(dǎo)體材料的功能特性。然而受目前科學技術(shù)的限制，很難直接制備具有三維復(fù)雜多級精細結(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展、優(yōu)化，及其在光學、熱學、電學、磁學、化學、生物學、醫(yī)學等領(lǐng)域的進一步應(yīng)用；并限制了人們對金屬與半導(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)雜多級精細結(jié)構(gòu)的一體

4、化效應(yīng)的系統(tǒng)研究。因此，當今迫切需要開發(fā)一種簡捷、通用的制備方法來制備具有三維復(fù)雜多級精細結(jié)構(gòu)的金屬、金屬/半導(dǎo)體功能材料，從而實現(xiàn)材料性能的優(yōu)化、擴展及革新；并探究材料之間的耦合效應(yīng)及材料與結(jié)構(gòu)一體化對功能材料性能的影響。
　　本研究為了解決具有精細功能結(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)及科學問題，通過“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)雜多級精細結(jié)構(gòu)的蝶翅為模板結(jié)合化學合成技術(shù)來實

5、現(xiàn)具有三維復(fù)雜多級精細結(jié)構(gòu)的金屬、金屬/半導(dǎo)體功能材料的制備。并且通過對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，制備了具有蝶翅三維復(fù)雜多級精細結(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)合進一步加強寬波段紅外光吸收及紅外光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)。結(jié)合實驗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)加強紅外光吸收及光熱轉(zhuǎn)換機制?；谝陨霞t外光響應(yīng)機制及等離子體光熱轉(zhuǎn)換機制的研究，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)擴展到了紅外波段，并研究了紅外光熱致磁變機制。本研究主要內(nèi)容及結(jié)果如下：
　　1.對比研究金、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精細結(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入射光波電磁場在等離子體表面和近鄰等離子體之間聚集放大；同時，等離子體效應(yīng)和近鄰等離子體相互作用與 AQPS耦合，使入射光波電磁場在AQPS表面聚集放大，促進寬波段紅外光吸收。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微納結(jié)構(gòu)耦合加強寬波段紅外光吸收這一寬波段紅外光吸收機制。
　　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一體化的耦合機制和紅外光吸收、紅外光熱轉(zhuǎn)換及太陽能光熱轉(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）實現(xiàn)了太陽光吸收比的突破，達到了98%。同時，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)異的太陽能光熱轉(zhuǎn)換性能。從而為紅

10、外光應(yīng)用、太陽能光熱轉(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耦合加強寬波段紅外吸收這一理論機制，并通過實驗分析和FDTD計算模擬證明了所提出的加強寬波段紅外光吸收機制。同時，結(jié)合FDTD計算模擬與焦耳效應(yīng)對金屬/半導(dǎo)體功能材料光熱轉(zhuǎn)換進行了計算模擬，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、），并且在兩個近鄰等離子體區(qū)域，其熱源密度更強。從而說明了近鄰等離子體振蕩系統(tǒng)的耦合效應(yīng)增強熱能產(chǎn)生。提出了近鄰等離子體耦合效應(yīng)增強光熱轉(zhuǎn)換促進熱能產(chǎn)生這一增強熱能產(chǎn)生機制。該研究對今后的寬波段紅外吸收、紅外光熱轉(zhuǎn)換及太陽能光熱轉(zhuǎn)換材料的開發(fā)、設(shè)計具有理論指導(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，熱運動破壞了原子磁矩的規(guī)則取向，降低自發(fā)磁化強度，從而導(dǎo)致磁性能變化。本研究將光磁效應(yīng)擴展到了紅外光波段。
　　本研究將對當今材料設(shè)計要求多層次多維數(shù)乃至