自然光子结构研究及其仿生人工制备与应用

论文摘要

随着纳米技术的进步,微纳光子学在科学和技术上的地位已经变得越来越重要。近十年来,人们利用微纳光子结构实现了许多新奇的光学效应。在自然界中,生命体通过数十亿年的进化形成了许多奇妙的微纳光子结构。它们利用这些结构呈现的光学效应实现了它们所需的独特生物功能。我们探索自然界光子结构的意义,不仅在于揭示新奇有趣的自然界驾驭颜色的巧妙策略,同时也为我们人工设计和制备光子结构提供了许多灵感。这篇论文回顾了我们在自然界光子结构探索中的新发现,并解释了它们颜色产生的物理机制。我们发现非晶光子结构具有许多新奇的光学特性,为我们的仿生和应用带来了许多启示。最后,我们尝试利用模板填充和材料分相方法对自然光子结构进行了仿生制备,并讨论了它们在新材料和新结构中的应用。本论文由八个章节组成：在第一章中,我们将首先介绍微纳光子学的几个主要研究方向极其研究进展。然后介绍自然界光子结构研究的现状。在第二章中,我们将具体介绍我们自主发展的一套研究自然界光子结构的实验和理论计算方法。在第三章中,我们将介绍在长角天牛鞘翅鳞片中发现的无序密堆积光子结构,极其全彩反射的物理机制。在第四章中,我们将介绍鹦鹉羽毛中非晶金刚石光子结构的“冠军”呈色。在第五章中,我们将介绍长角天牛中相分离光子结构造成的宽带反射。在第六章中,我们将展示在中国古瓷器中发现了非晶光子结构呈色的例子。在第七章中,我们展示了两种人工制备自然光子结构的方法。一为利用生物模板进行模板复制。二为通过分相热力学得到非晶光子结构。在第八章中,我们讨论了自然启发结构在表面等离子体器件中的应用,例如宽带超强透射的实现。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 研究背景简介
• 1.1 微纳光子结构
• 1.2 自然界结构色
• 参考文献
• 第二章 光子结构研究的实验与理论方法
• 2.1 材料及实验方法
• 2.2 光子结构研究的理论方法
• 参考文献
• 第三章 无序密堆积光子结构
• 3.1 鳞片的全彩反射
• 3.2 球状结构的无序密堆积
• 3.3 无序密堆积光子结构中的光子赝带隙
• 3.4 全彩颜色来源及混合色
• 3.5 小结
• 参考文献
• 第四章 非晶金刚石光子结构
• 4.1 鹦鹉羽毛中的蓝色海绵结构
• 4.2 非晶金刚石光子结构的表征
• 4.3 非晶金刚石光子结构中的光子赝带隙和结构呈色
• 4.4 鹦鹉的选择:冠军结构与最佳占空比
• 参考文献
• 第五章 无序双联通光子结构
• 5.1 管状鳞片中的结构呈色
• 5.2 无序双联通光子结构的表征
• 5.3 无序双联通光子结构的反射特性
• 5.4 光学高对比度斑纹的形成
• 5.5 小结
• 参考文献
• 第六章 中国古陶瓷器中的非晶光子结构呈色
• 6.1 宋代钧瓷和汝瓷
• 6.2 古瓷釉中的非晶光子结构
• 6.3 分相结构的产生机理
• 6.4 呈色的物理机理
• 6.5 小结
• 参考文献
• 第七章 自然界光子结构的人工制备
• 7.1 自然界光子结构的人工复制
• 7.2 非晶光子结构的人工制备
• 参考文献
• 第八章 表面等离子体仿生结构
• 8.1 二维非晶小孔阵列中的超强透射
• 8.2 分相结构和分形结构
• 8.3 三维金银分相结构中的表面等离子体共振
• 参考文献
• 结语
• 发表论文
• 会议报告
• 致谢