煤油基鐵磁流體的光學(xué)特性測試

臺(tái)玉萍 ,李新忠 ,王亞軍 ,聶兆剛

(1.河南科技大學(xué)a.化工與制藥學(xué)院;b.物理與工程學(xué)院,河南洛陽 471003;2.中科院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所網(wǎng)絡(luò)信息中心,陜西西安 710119;3.東京電氣通信大學(xué)應(yīng)用物理化學(xué)部和激光科學(xué)研究院,日本 東京 182-8585)

0 前言

磁流體是一種包含鐵磁微粒的穩(wěn)定膠態(tài)分散體系[1]。目前,在磁流體方面的研究眾多,大都集中在磁流體制作[2]及密封、阻尼、熱交換、磁回路和傳感器等方面的應(yīng)用[3-4]。此外,磁流體作為一種納米[5]流體材料,能夠制成新型的納米管、納米發(fā)電機(jī)、納米泵、納米馬達(dá)和其他一些納米裝置[6]。磁微粒旋轉(zhuǎn)能夠產(chǎn)生微能量,美國宇航局已經(jīng)把這種方法應(yīng)用于航天器。

磁流體一個(gè)最具前沿的應(yīng)用是大面積光顯示[7-10],韓國Hongik大學(xué)的Seo教授領(lǐng)導(dǎo)的科研小組在磁流體的光學(xué)顯示研究方面走在了世界的前列,他們詳細(xì)研究了納米磁流體材料的性能、顯示原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中,顯著的成果是首次研制出了磁流體平板顯示器件樣品,并進(jìn)行了大量的理論仿真和實(shí)驗(yàn)研究[7-9]。

而在磁流體光顯示器件進(jìn)入應(yīng)用之前,需要對磁流體的光學(xué)顯示特性進(jìn)行測試,以期對磁流體的顯示性能進(jìn)行改進(jìn)。因此,本文利用原子力顯微鏡、LAMBDA 900、WYKO等儀器對光顯示用煤油基鐵磁流體的光學(xué)特性進(jìn)行了測試和分析。

1 煤油基鐵磁流體的物理參數(shù)

磁流體是由磁性納米顆粒、表面活性劑、載液三部分組成的穩(wěn)定的膠體分散體系。磁流體的磁性是由磁性納米顆粒提供,載液決定著磁流體的用途,表面活性劑起中間介質(zhì)的作用。通過表面活性劑對粒子的表面改性既可避免超細(xì)微粒的團(tuán)聚傾向,又可使微粒與基液具有較好的相容性。

利用非極性磁流體如煤油基磁流體中,對磁性顆粒進(jìn)行表面活性劑包覆后形成。非極性載液磁流體的磁性、穩(wěn)定性和熱傳導(dǎo)性在很大程度上取決于磁流體中Fe3O4超微粒子的磁性、粒徑和濃度,而極性載液如水基磁流體的穩(wěn)定性和熱傳導(dǎo)性卻與雙分子表面活性劑包覆層密切相關(guān)。

表1 磁流體的部分物理參數(shù)

磁流體的性能參數(shù)主要有磁化強(qiáng)度、粘度和使用溫度范圍等,在一些場合還有蒸汽壓及其他理化參數(shù)。本研究中采用的磁流體是將鐵磁微粒分散到煤油載液中形成的膠態(tài)體系,經(jīng)測試,部分物理參數(shù)如表1所示。

2 磁流體的AFM測試

在磁流體光顯示器件中,磁微粒尺寸的大小對顯示分辨率起著決定性的作用。為此,首先利用原子力顯微鏡(美國Di公司產(chǎn),型號(hào):Di3100s)測量了磁流體中鐵磁微粒的尺寸及其分布,其測量結(jié)果如圖1a、1b所示。

圖1 原子力顯微鏡(AFM)測試圖

圖1a、1b分別是原子力顯微鏡測試的立體和平面圖片,從圖1可以看出:在3μm×3μm的區(qū)域內(nèi)磁流體中磁微粒的尺寸在 40 nm以內(nèi),其分布具有明顯的區(qū)域特性,即在某一區(qū)域內(nèi)磁微粒的尺寸和分布比較均勻,而區(qū)域間磁微粒的尺寸和分布存在較大差異。將尺寸和分布比較均勻的某一區(qū)域內(nèi)的磁微粒,稱為磁微粒族。磁微粒族中的粒子是全同微粒,它們的地位是等價(jià)的。在光顯示器件中,不同磁微粒族對應(yīng)著不同的信息。因此,磁微粒族的均勻性對器件的顯示來說是至關(guān)重要的。

3 磁流體的吸收光譜

磁流體作為被動(dòng)式光顯示器件的工作物質(zhì)[8],研究其對入射光的透射、反射和吸收光譜的分布具有特別重要的意義。

將磁流體薄膜涂抹在光學(xué)載玻片上,在不同區(qū)域測量其厚度取平均,得到磁流體薄膜的厚度值約為20μm(下同)。然后,利用LAMBDA 900分光光度計(jì)研究其光學(xué)透過率,測試波長范圍400～2 000 nm,其光學(xué)透過率曲線如圖2所示。

圖2 磁流體薄膜透過率隨波長的變化

由圖2可以看出:磁流體薄膜的光學(xué)透過率在400～600 nm基本沒有變化,在 600～800 nm急劇增加,然后緩慢減小;在大于1 400 nm的波段又逐漸增加。在可見光區(qū)域,磁流體薄膜的光學(xué)透過率在大于 550 nm的波段單調(diào)遞增,對632.8 nm波長光的透過率約為 19%,如圖3所示。如果應(yīng)用于光顯示,應(yīng)提高其藍(lán)譜段的透光率系數(shù),使之在整個(gè)可見光區(qū)域具有均勻的透光率。

磁流體薄膜的透過率與其光學(xué)吸收系數(shù)呈互補(bǔ)關(guān)系,由磁流體薄膜的吸收系數(shù)測試可以驗(yàn)證,如圖4所示,在可見光范圍(400～700 nm)的光學(xué)吸收系數(shù)曲線恰好與透過率曲線的變化趨勢相反。在可見光范圍的平均吸收系數(shù)α=5×103cm-1。

4 磁流體液面光學(xué)形態(tài)分析

下面利用韓國Seo教授提供的磁流體光顯示器件樣品,分析當(dāng)激光照射在顯示器件的磁流體薄膜上時(shí),薄膜液面在通電前后的輪廓變化,進(jìn)一步驗(yàn)證其光電顯示的可行性。

利用WYKO非接觸式輪廓儀(美國岱美公司產(chǎn),型號(hào):RST-PLUS),對磁流體器件通電前后兩個(gè)狀態(tài)的液面輪廓進(jìn)行了檢測。儀器的工作波長為650 nm。測試得知,通電前磁流體薄膜表面比較平坦,只有個(gè)別區(qū)域有隆起現(xiàn)象,這可能由于器件水平度不夠的緣故。通電后薄膜表面的起伏變大,最大值與最小值間距由1.28μm變?yōu)?.70μm;均方根粗糙度由214.31 nm變?yōu)?71.70 nm,這說明通電前后液面形貌有所變化,但變化不大,僅為測試波長的十分之一左右?？梢?液面的反射光對光顯示性能有一定影響,但不起決定作用。

對顯示器件表面某一區(qū)域磁流體膜進(jìn)行 WYKO測試可知:液面起伏的區(qū)域特性十分明顯,即某一區(qū)域的液面高度基本相同;區(qū)域間液面的起伏相差較大。與AFM的分析對應(yīng)可知:每一個(gè)液面高度相同的區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)磁微粒族。通電后磁流體液面這些不同區(qū)域移動(dòng)到不同的位置,且表面高度有所變化;這說明磁微粒族在磁場作用下從一個(gè)位置運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)位置,根據(jù)其被動(dòng)式顯示原理[11],能夠?qū)崿F(xiàn)器件的亮、暗轉(zhuǎn)換。

5 結(jié)論

經(jīng)過對煤油基鐵磁流體的測試,要實(shí)現(xiàn)磁流體的光顯示性能,磁微粒的尺寸應(yīng)該在 100 nm以內(nèi),在可見光區(qū)域,磁流體薄膜的光學(xué)透過率在大于 550 nm的波段單調(diào)遞增;而通過對通電前后的磁流體光顯示器件的WYKO測試,發(fā)現(xiàn)在光顯示原理上來說,煤油基鐵磁流體能夠?qū)崿F(xiàn)亮、暗間的轉(zhuǎn)換。但要真正實(shí)現(xiàn)在大面積光顯示領(lǐng)域的應(yīng)用,需要在磁微粒的尺寸、運(yùn)動(dòng)的精確控制等方面進(jìn)行大量的工作。

致謝:感謝韓國宏益大學(xué)電子工程系J.W.Seo教授提供本文測試的磁流體光顯示器件樣品。

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