基于简易模板的蓝宝石表面微纳结构的制备与性能研究

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1、硕士学位论文基于简易模板的蓝宝石表面微纳结构的制备与性能研究STUDYONPREPARATIONANDPROPERTIESOFSAPPHIREWITHMICRO-NANOSTRUCTUREBASEDONFACILEMASKS赵东东哈尔滨工业大学2017年12月国内图书分类号：TB303学校代码：10213国际图书分类号：530密级：公开工学硕士学位论文基于简易模板的蓝宝石表面微纳结构的制备与性能研究硕士研究生：赵东东导师：汪桂根副教授申请学位：工学硕士学科：材料加工工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2017年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TB3

2、03U.D.C:530AdissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsfortheacademicdegreeofMasterofEngineeringSTUDYONPREPARATIONANDPROPERTIESOFSAPPHIREWITHMICRO-NANOSTRUCTUREBASEDONFACILEETCHINGMASKSCandidate：ZhaoDongdongSupervisor：AssociateProf.GuigenWangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngi

3、neeringSpeciality：MaterialsProcessingEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：December,2017Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要蓝宝石材料因其硬度高、透光率良好、抗辐射等优点，是光学窗口、光电器件及平面显示的重要候选材料。然而，蓝宝石尚不能满足对其透过率日益提高的要求，同时表面润湿性能不佳。目前采用镀膜的方法可以提高蓝宝石的透过率，但膜层与蓝宝石之

4、间的热失配问题使其容易脱落，限制了该方法的实际应用。受自然界中蛾眼结构的启发，在透明材料的表面制备亚波长结构可以有效地避免这些问题。本文采用Comsol软件仿真计算最佳亚波长结构，基于简易的二氧化硅模板和自然界蝉翅模板，分别采用湿法刻蚀和溶液浸渍法，制备蓝宝石表面抗反射微纳结构。利用扫描电子显微镜和原子力显微镜表征蓝宝石刻蚀形貌；并分析不同刻蚀形貌对提高蓝宝石在可见光波段的透过率以及表面的自清洁性能的影响。基于等效介质理论计算蓝宝石亚波长结构的理论参数范围，采用Comsol软件模拟仿真，优化蓝宝石亚波长结构的周期、占位比和深度等参数。仿真结果表明，周期为100nm，占位比为0.78

5、，深度为175nm的倒三角锥亚波长结构为最佳参数，其可见光波段的单面反射率值仅为3.69%；而对于蝉翅仿生纳米锥亚波长结构的仿真表明，其在可见光波段的理论单面反射率仅为1.9%。采用微球与二氧化硅溶胶共沉积的方法，制备单层密排的SiO2模板，探究了微球的浓度与溶剂的选择对模板形貌的影响。结果表明在温度为45℃，溶剂为乙醇和水时制备的模板形貌最佳。同时探究了烧结温度对二氧化硅掩膜耐腐蚀性的影响。发现烧结温度为800℃时的耐刻蚀剂的效果最好，同时该温度下的掩膜形貌未发生变化，可以用于湿法刻蚀的模板。采用湿法刻蚀的方法对表面覆盖有掩膜的蓝宝石进行刻蚀，系统地研究了不同温度和时间对刻蚀形貌

6、的影响。研究表明，刻蚀温度为300℃下的形貌较为规则，且和仿真的形貌接近。随着刻蚀时间的延长，刻蚀形貌发生改变，且占位比增加。根据蓝宝石晶体结构的特点，系统分析了不同形貌的形成机理。对表面有不同刻蚀形貌的蓝宝石样品进行了可见光透过率测试及接触角的测试，结果表明，占位比最大的单面和双面倒锥形亚波长结构具有最佳透过率，其值分别为91.7%和93%。单面结构相比于裸蓝宝石透过率提高了6.7%，占位比最大的倒三角锥蓝宝石亚波长结构的润湿角由60°降低到了12.6°，使材料表面的亲水性得到提升。对表面有仿生锥形亚波长结构的蓝宝石进行可见光透过率测试，结果表明，该结构使得蓝宝石的透过率由85%

7、提高到了90.2%。关键词：蓝宝石；湿法刻蚀；微纳结构；透过率；亲水性-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractSapphireasoneofthemostimportantopticalmaterialshasbecomewidelyuesdinmanyfields,suchasopticalwindow,opticaldetectorsandflatplandisplays.Sapphirehasalotofadvantages,suchashighha