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一种受蝴蝶翅鳞结构启发而设计制造的仿生分级结构表面

抗反射表面被认为是一种提高光电设备光学性能的有效途径。在特殊应用背景中,抑制反射和提高透射对于提高光学器件性能具有重要意义。现有的抗反射表面主要有两种形式,即抗反射涂层和抗反射结构。相较于抗反射涂层存在的涂覆条件难于控制、易于热失效和较弱的界面粘附特性等问题,抗反射结构由于结构的一致性和材料的均匀性而表现出显著的机械稳定性和耐久性等优点。实际上,经过亿万年的自然选择而进化出的生物结构在光学方面的表现格外引人注目,其中以蝴蝶翅鳞尤为典型,这也引起了生物学家和材料学家的广泛关注。但是,蝴蝶翅鳞双层三维超精细分级结构与角质层复杂折射率的精确结合,使得传统的纳米加工方法在仿制蝴蝶翅鳞纳米尺度的抗反射结构时面临挑战。而且,基于蝴蝶翅鳞双层三维超精细分级结构的抗反射机理并未被充分揭示和理解。吉林大学工程仿生教育部重点实验室韩志武教授课题组针对这一问题,进行了深入而细致的研究,基于仿生学的思想,成功设计制造了一种高透多重抗反射表面,在不损失基底材料透射率的同时,显著地提升了其表面的抗反射性能。


一种受蝴蝶翅鳞结构启发而设计制造的仿生分级结构表面


该研究团队在揭示了红颈鸟翼凤蝶(Trogonoptera brookiana)翅鳞潜在的多重抗反射机理的基础上,首先对抗反射性能优异的翅鳞表面进行化学预处理,使角质层表面的官能团充分活化,然后以翅鳞原型为生物模板,利用正硅酸乙酯(TEOS)水解缩合反应引入硅源,在高温(~120℃)条件下,通过溶胶凝胶和选择性酸蚀过程,成功构筑了SiO2三维纳米壕沟分级结构阵列。该纳米分级结构中的乳突结构和多层结构对于发生在其表面的多重光学协同效应起着至关重要的作用。通过相邻乳突结构间的多重反射和多层结构间的梯度折射作用,入射光线的光程明显增加而增强光学吸收,同时由于光线的偏振极化而发生相消干涉,大大地减小了光线的反射率,从而提升了基底表面的抗反射性能。该纳米分级结构表面的测试结果表明:(1)其主要成分为纳米SiO2,且分布规律与三维纳米壕沟分级结构阵列的形貌保持均匀一致;(2)在垂直入射条件下,其反射率在480-900nm波长范围内最低可达2.8%;(3)在垂直入射条件下,其透射率在440-900nm波长范围内最高可达95.61%,优于玻璃基底本身。


该研究中涉及的仿生制造方法具有成本低廉、工艺精简和周期较短等优点,可以为设计制造自然界中复杂多样的三维结构提供借鉴,而且所设计制造的仿生高透多重抗反射表面有望显著地促进光电设备性能的提升,并在诸如LED、太阳能电池和光学器件等领域存在着广泛的应用前景。相关成果发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201502454)上。




一种受蝴蝶翅鳞结构启发而设计制造的仿生分级结构表面

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