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1、减反论文：昆虫复眼碳材料及植物叶片光捕获结构的模拟研究【中文摘要】减小界面反射对于提高各种光器件的效率有重要意义。近年来人们以“师法自然”为指导思想制备了不同类型的仿生减反结构,但对于减反机理以及结构参数影响的研究相对较少。本文使用异形紫斑蝶(Euploeamulciber)复眼角质层为模板和原材料,经真空碳化工艺制得了复眼非晶碳。扫描电镜及拉曼光谱表明复眼非晶碳保留了原始复眼角质层的点阵结构。反射光谱表明其在380-750nm的反射率仅为2-3%,相比于平板非晶碳11%的反射率减少了70%以上。使用3维时域有限差分算法模拟得到了纳米点
2、阵非晶碳的反射光谱和波印廷矢量分布图,结果表明点阵的散射作用及散射光之间的相消干涉共同作用起到了增强减反的效果。通过对不同尺寸模型反射谱的比较得出:点阵高度决定减反最优的光波长范围;高轴径比能提高减反效率;点阵中碳/空气体积比为0.128-0.195时减反效果最好。植物叶片的结构可作为人工光合作用反应器设计的原型。本文选用荷叶(NelumboNucifera)作为研究对象,通过光学/荧光显微镜,激光共聚焦显微镜,低温扫描电镜及透射电镜等手段对其形貌进行表征,归纳出荷叶复合光捕获结构模型,包括上表皮细胞,栅栏组织和海绵组织。使用光线追迹算
3、法及3维时域有限差分算法模拟表明:上表皮细胞具有减反和会聚光线的作用;栅栏组织细胞内部的液泡及细胞间隙具有光导管的作用;海绵组织是一种多孔的吸收结构。三部分在形态、尺寸及功能上互相配合,共同实现对太阳光能的有效利用。本研究将试验与模拟相结合,直接研究仿生结构与天然结构的光学性能,在讨论与优化的基础上给出制备相应材料的参考,是一种高效的研究手段。【英文摘要】Reductionofboundaryreflectionpresentsvitalimportanceinimprovingtheefficiencyofopticalapplica
4、tions.Recently,variouskindsofbiomimeticantireflectivestructureshavebeendevelopedwiththethoughtof“learningfromthenature”,whiletherearestillinsufficiencyinthemechanismofantireflectionandtheeffectofstructuralparameters.Acompoundeyeamorphouscarbonhasbeenfabricatedviavacuumsi
5、nteringprocess,usingthecorneallayerofEuploeamulciberasthetemplateandtherawmaterial.SEMaswellasRamanspectrashowthatthenanoarraystructureoftheoriginalcorneallayerhasbeenwellretainedintheamorphouscarbon.Reflectionofthismaterialisonly2-3%inthewavelengthof380-750nm,whichismor
6、ethan70%lessthanthatoftheflatplateamorphouscarbon.ReflectivespectraaswellasPoyntingvectordistributionmaphasbeengotthroughsimulationsbaseon3Dfinitedifferentialtimedomain(FDTD)algorithm,whichshowsthatthescatteringeffectofthenanoarrayandtheinterferenceofscatteredlightcontri
7、butedtotheenhancementofantireflection.Comparisonsofthereflectivespectraofdifferentmodelsshowthatthebestwavelengthrangeofantireflectionisdecidedbyarrayheight,highaspectratiowillimprovetheantireflection,andthattheoptimumantireflectiveeffectoccurswhenthevolumeratioofcarbon/
8、airis0.128-0.195.Plantleavescanbetakenastheprototypeinthedesigningofartificialphotosynthesisreactors.Ta
