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仿生智能納米界面材料的設(shè)計思想

生命中與智能相關(guān)的科學(xué)問題無處不在，參與的生物體的器官也遍及全身。在生物體中，對外界刺激的響應(yīng)及各種生命過程的實現(xiàn)都是基于內(nèi)或分子間相互作用的改變。生命體中特殊機(jī)能 的智能化大多與微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，向自然學(xué)習(xí)，就是認(rèn)識和模擬生物體特殊的微觀結(jié)構(gòu)與其優(yōu) 異性能的關(guān)系。

多尺度結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑和特性

材料體系的分子結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)、微米結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)的多尺度效  應(yīng)是形成材料新功能的內(nèi)在本質(zhì)。分子結(jié)構(gòu)的多樣性決定了材料千變?nèi)f化的功能和性質(zhì)。納米結(jié)構(gòu)具有納米微粒的特性，如量子尺寸效應(yīng)、 小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等，又存在由納米結(jié)構(gòu)組合引起的新的效應(yīng)，如量子耦合效應(yīng)和協(xié)同效應(yīng)等，所以，納米結(jié)構(gòu)很容易通過外場（光、 電、磁）實現(xiàn)對其性能的控制?？傊?，材料體系的設(shè)計，不局限于塊狀材料，從分子、分子簇拓展到納  米結(jié)構(gòu)微米結(jié)構(gòu)，使材料本身在宏觀上產(chǎn)生奇異的物性。

昆蟲復(fù)眼的減反射功能

飛蛾的復(fù)眼是由六角形排列有序 的納米結(jié)構(gòu)陣列構(gòu)成。這個陣列被認(rèn)為是角膜表面的同質(zhì)透明層，每一個納米結(jié)構(gòu)突起是一個減反射單元，因此產(chǎn)生低反光性，使其看起來異常黑， 即使在夜間飛行也不易被察覺，被稱為蛾眼效應(yīng)。蝴蝶的角膜也具有類似的蛾眼納米結(jié)構(gòu)。不同種類蝴蝶復(fù)眼納米結(jié)構(gòu)的尺寸不同，導(dǎo)致表面的減反射程度不同，納米結(jié)構(gòu)的高度越大，其表面的反射率越低。

納米蛾眼減反結(jié)構(gòu)

由于蛾眼表面是由六角形排列有序的微納結(jié)構(gòu)陣列構(gòu)成,這種表面微納結(jié)構(gòu)尺度小于可見光 波長,使得光波無法辨認(rèn)出該微納結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)層可等效為折射率沿深度方向呈連續(xù)梯度變化的漸變折射率微納米膜層,可減少折射率急劇變化所造成的反射現(xiàn)象,使得飛蛾復(fù)眼對光具有極低 的反射系數(shù)。同時,仿生蛾眼抗反射微納結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、寬入射角和寬光譜段等抗反增 透特點(diǎn),使其在諸多領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

?夜間飛行的飛蛾的眼睛基本對近紅外不產(chǎn)生反射波，減少了鳥類、青蛙等天敵的注意，使其在夜間具有偽裝隱蔽性。

飛蛾的眼部結(jié)構(gòu)——一個個“鼓包”的 有序排列讓整個眼睛幾乎不反光。

納米蛾眼仿生結(jié)構(gòu)

蛾眼仿生光學(xué)技術(shù)嚴(yán)格耦合波分析理論,編制程序進(jìn)行微結(jié)構(gòu)陣列的衍射特性數(shù)值計算仿真分析,重點(diǎn)分析“蛾眼”微納結(jié)構(gòu)的工作波長、結(jié)構(gòu)周期、刻蝕深度、結(jié)構(gòu)直徑及輪廓形狀等微 結(jié)構(gòu)參數(shù)與反射波能量和透射波能量的關(guān)系,并進(jìn)行抗反射光譜寬度分析及結(jié)構(gòu)尺寸容差分析,  為微納結(jié)構(gòu)周期參數(shù)的具體設(shè)計與加工提供了理論依據(jù)和設(shè)計方法。

• 結(jié)構(gòu)：眼睛有一層立體六角蜂窩狀納米結(jié)構(gòu)，平均高度約為200nm，各個結(jié)構(gòu)間的間隔約為300nm。

• 原理：此結(jié)構(gòu)的特征尺寸小于作用波長，大部分的入射光線都被蜂窩狀結(jié)構(gòu)所吸收,折射率自上而下連續(xù)變化，不發(fā)生反射。

• 應(yīng)用：太陽能電池，LED，發(fā)光器件半導(dǎo)體領(lǐng)域。

納米蛾眼減反的制備方法

蛾眼仿生光學(xué)技術(shù)嚴(yán)格耦合波分析理論,編制程序進(jìn)行微結(jié)構(gòu)陣列的衍射特性數(shù)值計算仿真分析, 分析“蛾眼”微納結(jié)構(gòu)的工作波長、結(jié)構(gòu)周期、刻蝕深度、結(jié)構(gòu)直徑及輪廓形狀等微結(jié)構(gòu)參數(shù)與反射波能量和透射波能量的關(guān)系,并進(jìn)行抗反射光譜寬度分析及結(jié)構(gòu)尺寸容差分析,為微納結(jié)構(gòu)周期參數(shù)的具體設(shè)計與加工提供了理論依據(jù)和設(shè)計方法分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)周期與工作波長的比值直接影響了微結(jié)構(gòu)陣列的抗反增透特性,并與高級次衍射波發(fā)生倏逝的臨界角相關(guān)。引入圓錐度系數(shù)使圓柱形、圓臺形和圓錐形微結(jié)構(gòu)輪廓表達(dá)式連續(xù)統(tǒng)一, 從而使其各自結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇的原則與規(guī)律,并從實際等離子刻蝕產(chǎn)生的邊緣鈍化對微結(jié)構(gòu)抗反射性能的影響。利用數(shù)值計算仿真分析結(jié)果,設(shè)計了圓柱形、圓孔形、圓錐形、高斯面形和拋物面形等微結(jié)構(gòu)陣列的尺寸參數(shù)和容差要求。制作上采用二元光刻技術(shù)、激光直寫技術(shù)、干法刻蝕技術(shù)、反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)及電子束光刻技術(shù)等在光學(xué)玻璃基材及石英玻璃上對各種不同形狀的“蛾眼”抗反射微納結(jié)構(gòu)陣列進(jìn)行微納米光學(xué)沉積制作。

干法刻蝕工藝，玻璃基底，不同形狀的納米蛾眼減反結(jié)構(gòu)。有納米柱、子彈狀納米結(jié)構(gòu)、納米圓臺、 拋物線狀納米結(jié)構(gòu)和納米錐結(jié)構(gòu)。

納米蛾眼減反的制備方法

通過微蝕刻+鍍膜工藝，在產(chǎn)品表面附著于飛蛾角膜外的微型納米結(jié)構(gòu)，表面鍍膜厚度為200納米， 微蝕刻間距為300納米的錐形凸起，呈幾近完美的六邊形陣列分布，這種表面微納結(jié)構(gòu)因尺度遠(yuǎn)低于可見光波段而無法被識別，所以界面處的折射率能夠隨著蛾眼結(jié)構(gòu)的深度方向連且平穩(wěn)地改變，這樣一來， 由折射率急劇變化而帶來的光線反射就被大大減少了該結(jié)構(gòu)能使空氣到襯底的折射呈現(xiàn)漸變的趨勢，從而實現(xiàn)寬光譜，廣角度的減反射。

蛾眼結(jié)構(gòu)幾何示意圖 & 減反意圖

亞波長蛾眼仿生光學(xué)技術(shù)對比

特點(diǎn)：

1. 成像清晰，顏色鮮艷，低反射， 光澤面板的反射率為4％左右，老式低反射面板的反射率不足1％，蛾眼面板實現(xiàn)了0.1％以下的基本固定的低反射率。

2. 斜著看反射率也很低，傳統(tǒng)技術(shù)超過40 度， 反射陡增，而蛾眼面板即使達(dá)到60度，反射率也僅有0.5％左右。

3. 有效的抑制反射光而增加光學(xué)顯示系統(tǒng)的透射，提高光學(xué)顯示系統(tǒng)的清晰度和分辨率，抑制光學(xué)系統(tǒng)中的各個界面間來回反射、 折射造成的迷光、眩光及鬼影， 同時抑制藍(lán)波段的強(qiáng)光輻射。

4. 有效削弱因背后強(qiáng)光導(dǎo)致畫面變白之缺憾，享受更清晰的影像畫質(zhì)。

5. 色彩更艷麗， 使圖像色彩對比更強(qiáng)烈，景物更清晰。