无模直写3D打印制备外场调控太赫兹光子晶体研究

论文摘要

太赫兹（THz）波是指频率为:0.1 THz-10 THz,波长范围为:30 μm-3 mm的电磁波,其波段在电子波谱上介于已经发展相当成熟的毫米波和红外中间,太赫兹波具有兼有微波和光波的“双重特性”,即类似微波的穿透能力和类似光波的方向性,相对于其他波段的电磁波具有非常强的互补特征。与微波、毫米波相比,THz探测技术可以获得更高的分辨率,具有突出的抗干扰能力和独特的反隐身能力;与激光相比,THz技术具有视场范围宽、搜索能力好、适用于恶劣气象条件等优点。在太赫兹技术范畴中,太赫兹源和太赫兹检测技术发展已经取得很大进展,许多技术指标甚至已经接近理论极限;但是太赫兹功能器件发展相对缓慢。光子晶体是一种光子带隙的周期性介质超材料结构,光子晶体的光子带隙特性可以方便的操控电磁波的传播。为了实现对THz波段的调控,光子晶体的尺寸要与THz波相当,实现该尺度光子晶体的尺寸的制备,传统加工的方式难以满足。我们采用无模直写3D打印技术,来构筑亚微米到毫米尺寸范围内的光子晶体结构,相比于其他的3D打印技术,无模直写3D打印技术可以同时兼容多种材料,实现生物材料、陶瓷材料、硅胶材料以及多种材料同时打印;具有其他3D打印技术无可比拟的优势。本论文以无模直写3D打印技术为基础,首先对对该技术的打印成型理论进行了系统性研究,并进一步采用该技术,制备柔性可调的THz光子晶体,发展新型的4D打印光子晶体结构,开发了双材料打印光子晶体技术,为多材料的THz功能器件制备提供可能性。首先对无模直写3D打印技术的多种浆料体系的系统分析。阐述了基于溶胶凝胶浆料体系直写打印的研究现状和流体力学分析模型,并指对于直写打印浆料来说,大部分浆料都具有剪切稀化特性,该特性使得浆料可以更加顺畅的从针头挤出;并指出现有的分析方法的不足:没有综合考虑浆料的弹性模量G,和粘性模量G"随剪切应力的变化关系;并进一步阐述了无模直写3D打印浆料的最根本特点是弹性模量G,和粘性模量G"在浆料从针头挤出之后会发生粘弹逆变。研究了三种具有代表性的浆料成型机理:PDMS1700浆料为剪切应力致粘弹逆变体系浆料;PLA浆料为溶剂挥发致粘弹逆变浆料;二氧化钛溶胶凝胶浆料为化学反应致粘弹逆变浆料。其次,以聚二甲基硅氧烷（PDMS）硅胶和纳米钛酸钡（BaTiO3）为基础,制备了不同比例的BaTiO3/PDMS复合浆料,并以此浆料为基础,打印了多种结构的THz光子晶体。采用平面波展开法研究了该结构参数的光子晶体的能带结构随介质棒间距d,介质棒周期高度A和折射率之差An的变化特征。研究了不同BaTiO3含量,不同介质棒间距d和不同层数对的光子晶体带隙结构的影响规律,并采用时域有限差分法对光子带隙结构透射谱进行模拟计算。当对该光子晶体施加拉伸力场的时候,光子带隙位置随着拉伸率的增加向低频移动;当施加扭转作用的时候,光子带隙随着扭转角度的增加,带隙深度先逐渐增加,又逐渐变浅消失。通过外加力场,实现了对光子晶体带隙的调控。再次,以聚二甲基硅氧烷（PDMS）硅胶和铁粉（Fe）为基础,制备了Fe/PDMS复合浆料,并以此浆料为基础,结合无模直写打印技术开发了新型的4D打印技术;该技术制备的三维结构,能够在外加激励磁场的作用下,实现三维结构随时间变化。同时,我们将该技术用于THz波段光子晶体的制备,实现了对光子晶体在外加磁场作用下,结构随时间的变化,同时实现了光子晶体带隙在外加磁场作用下的非接触式调控。最后,为无模直写技术制备多材料的THz功能器件进行了探索性研究。以双材料无模直写打印技术为基础,采用BaTiO3和PDMS硅胶混合浆料制备了40 wt%和10 wt%双复合材料耦合光子晶体,并研究双材料耦合对于THz光子晶体带隙的影响。该双材料打印技术,将为3D打印制备多材料耦合的THz功能器件提供理论可能性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 太赫兹技术概述
•     1.1.1 太赫兹技术发展历程
•     1.1.2 太赫兹波的特性和应用领域
•     1.1.3 太赫兹时域光谱系统
•   1.2 光子晶体研究进展
•     1.2.1 光子晶体简介
•     1.2.2 光子晶体的特点和应用领域
•     1.2.3 光子晶体的制备
•     1.2.4 可调光子晶体的研究
•     1.2.5 光子晶体的制备技术优势分析
•   1.3 3D打印技术概述
•     1.3.1 3D打印技术分类
•     1.3.2 3D打印技术的未来-4D打印技术
•   1.4 无模直写3D打印技术
•   1.5 本论文的主要研究内容及意义
• 第2章 实验设备、材料表征和性能测试分析
•   2.1 实验设备
•   2.2 材料性能测试表征
•     2.2.1 扫描电子显微镜（SEM）
•     2.2.2 能谱仪（EDS）
•     2.2.3 流变仪
•     2.2.4 磁性测量系统
•   2.3 光子晶体THz波段光子带隙性能测试分析
• 第3章 无模直写3D打印浆料研究
•   3.1 绪论
•   3.2 无模直写3D打印浆料的研究现状
•   3.3 剪切应力致粘弹逆变浆料打印研究
•     3.3.1 原材料和浆料配置
•     3.3.2 PDMS浆料流变性能分析
•     3.3.3 PDMS浆料直写打印研究
•     3.3.4 基于直写打印三维结构的打印
•   3.4 溶剂强挥发致粘弹逆变浆料打印研究
•     3.4.1 基于具有强挥发特性氯仿溶剂PLA浆料的制备
•     3.4.2 溶剂强挥发PLA浆料的流变性能分析
•     3.4.3 溶剂强挥发PLA浆料直写打印研究
•     3.4.4 基于溶剂挥发的PLA基陶瓷浆料打印研究
•   3.5 化学反应致粘弹逆变浆料打印研究
•     3.5.1 化学反应特性二氧化钛浆料制备
•     3.5.2 浆料流变力学性能分析
• 2浆料直写打印研究'>    3.5.3 化学反应浆料TiO₂浆料直写打印研究
•   3.6 本章小结
• 第4章 无模直写3D打印柔性太赫兹光子晶体研究
•   4.1 引言
• 3/PDMS复合浆料打印研究'>  4.2 BaTiO₃/PDMS复合浆料打印研究
• 3/PDMS复合浆料合成'>    4.2.1 BaTiO₃/PDMS复合浆料合成
•     4.2.2 浆料流变性能分析
• 3/PDMS木堆结构（Woodpile structure）光子晶体'>  4.3 直写打印BaTiO₃/PDMS木堆结构（Woodpile structure）光子晶体
•     4.3.1 三维木堆结构（Woodpile structure）
•     4.3.2 3D打印光子晶体成型
•   4.4 木堆结构光子晶体能带结构研究
•     4.4.1 木堆结构布里渊区分析
•     4.4.2 结构参数对光子晶体能带结构影响
•     4.4.3 材料性质对光子晶体能带结构的影响
• 3/PDMS复合材料光子晶体THz性能测试和模拟研究'>  4.5 具有典型代表性的BaTiO₃/PDMS复合材料光子晶体THz性能测试和模拟研究
• 3/PDMS复合材料光学参数计算'>    4.5.1 BaTiO₃/PDMS复合材料光学参数计算
•     4.5.2 光子晶体THz性能测试
•     4.5.3 光子晶体能带结构bandsolve模拟计算
•     4.5.4 光子晶体THz透射谱CST模拟计算
•   4.6 不同介质棒间距d对光子晶体THz性能的影响
•     4.6.1 光子晶体THz性能测试
•     4.6.2 光子晶体THz透射谱CST模拟计算
•     4.6.3 光子晶体THz能带结构bandsolve模拟计算
•   4.7 不同介质棒层数对光子晶体THz性能的影响
•     4.7.1 光子晶体THz性能测试
•     4.7.2 光子晶体THz能带结构bandsolve模拟计算
•   4.8 不同介电常数对光子晶体THz性能的影响
•     4.8.1 光子晶体THz性能测试
•     4.8.2 光子晶体THz透射谱CST模拟计算
•     4.8.3 光子晶体THz能带结构bandsolve模拟计算
•   4.9 力场调控的柔性光子晶体THz响应特性研究与讨论
•     4.9.1 柔性光子晶体在拉伸作用下的THz性能研究与讨论
•     4.9.2 柔性光子晶体在扭转作用下的THz性能研究与讨论
•   4.10 本章小结
• 第5章 无模直写4D打印磁场调控太赫兹光子晶体研究
•   5.1 引言
• 3复合材料打印浆料研究'>  5.2 Fe/BaTiO₃复合材料打印浆料研究
•     5.2.1 Fe/PDMS复合浆料合成
•   5.3 Fe/PDMS复合材料浆料无模直写打印三维结构研究
•     5.3.1 直写打印Fe/PDMS复合材料夹爪和方形长条
•     5.3.2 直写打印Fe/PDMS复合材料蝴蝶
•     5.3.3 直写打印Fe/PDMS复合材料光子晶体
•   5.4 无模直写4D打印技术原理分析计算
•   5.5 无模直写4D打印Fe/PDMS复合材料三维结构变形研究
•     5.5.1 4D打印Fe/PDMS复合材料蝴蝶翅膀变化研究
•     5.5.2 4D打印Fe/PDMS复合材料夹爪夹取研究
•   5.6 直写打印Fe/PDMS复合材料光子晶体带隙研究
•     5.6.1 Fe/PDMS复合材料光子晶体透射谱
•     5.6.2 Fe/PDMS复合材料光子晶体扭转测试
•   5.7 磁场调控4D光子晶体THz性能研究与讨论
•     5.7.1 4D光子晶体变形分析研究
•     5.7.2 4D光子晶体变形太赫兹性能测试
•   5.8 本章小结
• 第6章 无模直写3D打印双材料耦合光子晶体结构
•   6.1 引言
•   6.2 双材料光子晶体的制备和表征
•     6.2.1 双材料光子晶体制备
•     6.2.2 双材料耦合光子晶体的光学图
•     6.2.3 双材料耦合光子晶体的SEM和能谱（EDS）表征
•   6.3 结构变化对双材料耦合光子晶体带隙影响
•     6.3.1 层数变化对双材料耦合光子晶体带隙影响
•     6.3.2 间距变化双材料耦合光子晶体带隙影响
•   6.4 双材料耦合对THz光子晶体带隙的影响
•   6.5 本章小结
• 第7章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 朱朋飞

导师: 李琦

关键词: 太赫兹技术,打印技术,可调,光子带隙,光子晶体

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,化学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O734

总页数: 170

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