基于閃蝶翅膀納米結(jié)構(gòu)局部熱變形的紅外探測研究.pdf

1、紅外線是波長介于可見光和微波之間的電磁波，由于它的非破壞性以及其可揭示的信息，在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療診斷以及軍事探測等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，這決定了紅外探測的重要性。
　　紅外探測技術(shù)一般分為兩種：紅外熱探測以及紅外光子探測。紅外熱探測器是通過紅外光改變探測材料溫度從而造成探測材料物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)紅外探測的；而紅外光子探測則是通過紅外光子與電子之間的相互作用來實(shí)現(xiàn)探測的。雖然紅外光子探測裝置要比紅外熱探測裝置具有更高的敏感性、響應(yīng)速度

2、以及空間分辨率，但是紅外光子探測器又有自身的不足，即需要額外的制冷，這不僅增加了制造成本也使探測儀器變得復(fù)雜且笨重，這大大限制了其應(yīng)用。
　　仿生工程提供了一種新的視角去實(shí)現(xiàn)紅外探測。本論文首先大致介紹了一些仿生紅外探測的研究，例如火甲蟲對長波紅外的探測，蛇類對紅外異常靈敏的探測以及利用基于閃蝶翅膀的紅外探測。閃蝶由于其光子晶體結(jié)構(gòu)以及其結(jié)構(gòu)色，吸引了很多研究工作者的關(guān)注，一大批基于閃蝶翅膀的高性能的化學(xué)傳感器、紅外傳感器、熱探測

3、器、磁場探測以及PH值傳感器等被研發(fā)出來。
　　基于閃蝶翅膀獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)，在本論文研究中，我們利用氧等離子刻蝕技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了對蝶翅的微納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行可控削減修飾。這不僅為研究蝶翅光學(xué)性能提供了一個(gè)新的視角，更增強(qiáng)了我們對生物結(jié)構(gòu)的操控能力；此外通過利用熱蒸鍍技術(shù)的視角效應(yīng)，我們在蝶翅微納米結(jié)構(gòu)上選擇性修飾了一層金，得到三維尺度上的雙層懸臂梁結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)用到紅外探測領(lǐng)域。不同于修飾了單壁碳納米管（SWNTs）的蝶翅在紅外光下所產(chǎn)生

4、的微納米結(jié)構(gòu)整體膨脹，選擇性修飾了金的蝶翅則會(huì)發(fā)生局部彎曲，這是由于雙層懸臂梁結(jié)構(gòu)中金和蝶翅本身的材料的膨脹系數(shù)不同，故在紅外光的照射下，懸臂梁會(huì)向膨脹系數(shù)小的材料發(fā)生彎曲。這就會(huì)造成片層之間反射光的光程差，這些局部彎曲在三維尺度上進(jìn)行疊加就會(huì)造成蝶翅整體光學(xué)信號(hào)的改變，從而將不可見的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)化為可見光信號(hào)。本文實(shí)現(xiàn)了約為32 mK的溫度靈敏性以及5 Hz的紅外響應(yīng)速率，并利用FDTD模擬軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了模擬，驗(yàn)證了雙層結(jié)構(gòu)局部熱