具有蝶翅精细微纳结构的红外响应材料的模拟和实验研究

The small and cheap thermal detector is a key research direction of infrared detection technology to replace the costly and heavy photon detector. The material templated from natural biological is extensively studied because it is very sensitive to heat, gas, light, etc. New infrared detection can be compound butterfly scale, gas-sensitive materials and volatile liquid. The process of the infrared response can sumarize as: gas-sensitive materials absorb infrared thermal - volatile liquid achieve the response of ambient refractive index with heat - ambient refractive index affect reflectance. Firstly, the Finite-Difference Time-Domain method is used to simulate and design the infrared response material, then the proper butterfly template and gas-sensitive material can be chosen. Secondly, the coupling effects of the hierarchical structures of the infrared sensitive materials on the corresponding properties are detailly studied. Thirdly, optimization will be carried out using Particle Swarm Optimization method to enchance the sensitivity properties of the materials.

以经济便携的热探测器取代昂贵笨重的光子型探测器是现代红外探测技术的一个重要研究方向，而提高热探测器的响应度是关键问题，具有精细微纳结构的生物模板可以用来解决这一问题。蝶翅的精细微纳结构是作为敏感响应功能材料很好的模板，被广泛运用到热敏、气敏和光敏等敏感材料领域。结合前期工作，本项目基于生物精细微纳结构的折射率敏感性能，结合功能组分材料，设计出响应明显、轻便简易的红外响应材料。响应的过程为：功能组分材料（纳米等离子体）吸收红外热—易挥发溶剂的气化和液化实现热对环境折射率的调控—环境折射率影响反射谱。首先，用时域有限差分方法完成材料的模拟设计，选择适合的生物模板和功能组分材料；然后，采用化学沉积等方法，精细调控制备兼具原始蝶翅分级结构和红外吸收功能的样品，使得其相对反射率响应度提高到4.3%/K，有明显颜色响应；最后，用粒子群算法优化模型，为获得性能更优的新型红外响应材料提供理论依据。

针对贵笨重的光子型探测器，用经济便携的热探测器取代之是现代红外探测技术的一个研究方向。而在此项研究中，提高热探测器的响应度是关键问题。.本项目基于生物精细微纳结构的折射率敏感性能，结合时域有限差分光学模拟方法，设计出响应明显、轻便简易的红外响应材料。响应的过程为：吸收红外热—易挥发溶剂的气化和液化实现热对环境折射率的调控—环境折射率影响反射谱。.数据表明，红外热致使温度改变1K之时， 相对反射谱改变量达到5.2%， 此数值达到了立项书中的指标。 而总的反射谱变化从550nm改变到500nm左右， 实现了约50nm左右的变化，也达到了立项书中的指标。可以得出结果，此种设计具有很好红外响应性能，响应强度较强，具有一定重复性。另外此种红外响应材料具有很灵活的设计方案，通过调节参数实现不同颜色、波段、强度的响应。所设计的红外响应材料，有着明显的直观颜色响应特性。此种颜色变化可以将肉眼不可见的红外刺激转化为直观可见的颜色响应，此种响应不需要任何的电源等外界条件。