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金属纳米壳层光子晶体的制备及其对热辐射的调控

任琳  
【摘要】: 位于大气窗口波长3-5微米的中红外波段和8-14微米的远红外的大气窗口波长的激光可用于红外追踪、搜索靶标导航以及光学遥感探测,对国家安全具有至关重要的意义。由于窄带隙半导体材料的匮乏等原因,目前在中红外波长高效率发射光源和激光器严重短缺。为了解决这个问题,人们已经提出利用三维光子晶体的带隙效应对黑体辐射进行波长选择性增强调控的思想,但在实验上如何制备具有较强带隙效应、且可以耐受较高温度从而实现黑体辐射波长调控的微结构,在技术上难度很大;除此之外,利用光子晶体进行黑体辐射调控的可行性和详细物理机制有待于深入研究。面向这些问题,本论文提出采用激光微纳加工技术制备任意晶格的聚合物光子晶体作为骨架,然后利用化学镀技术实现耐高温金属的壳层结构的解决方案,实现了高质量的聚合物/金属核壳结构的制备,并观察到了较强的黑体辐射调控效应。具体研究工作分为以下三方面: 模拟电子晶体中的原子晶格,制备了立方、体心、面心结构的光子晶体,系统的研究了金刚石结构沿111,110以及100三个晶向的光子晶体结构以及光子带隙性质,并通过平面波展开法进行了理论模拟;设计并制备了完整的五层石墨结构光子晶体,并通过增加中间一层石墨柱长的方式,成功的引入面缺陷;进一步利用传输矩阵法进行了理论计算,理论计算结果与实验观测值一致性很好,验证了缺陷在石墨结构光子晶体中引发的缺陷模,实现了光子局域态。 研究了三维模版化学镀实现表面金属化、以聚合物光子晶体为核在其表面引入银和镍壳层的相关工艺,成功的在金刚石结构和石墨结构的聚合物模版表面实现了金属化,层厚可精确控制;研究了两种金属壳层光子晶体的热稳定性及与镀层厚度的关系,实现具有稳定牢固的银、镍金属壳层的金属光子晶体结构。 研究了化学镀金属镍纳米壳层石墨结构光子晶体对热辐射的调控作用。对于石墨结构金属镍光子晶体在加热温度为T=370℃,400℃,450℃,500℃,530℃下进行了热辐射谱测量;发现当黑体辐射峰与金属光子晶体的带边重合时,辐射受到了较强的调控,这一结果为进一步实现高效红外辐射源乃至于红外激光器件,做出了很好的理论和技术探索。


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