煤油基铁磁流体的光学特性测试

台玉萍 ,李新忠 ,王亚军 ,聂兆刚

(1.河南科技大学a.化工与制药学院;b.物理与工程学院,河南洛阳 471003;2.中科院西安光学精密机械研究所网络信息中心,陕西西安 710119;3.东京电气通信大学应用物理化学部和激光科学研究院,日本 东京 182-8585)

0 前言

磁流体是一种包含铁磁微粒的稳定胶态分散体系[1]。目前,在磁流体方面的研究众多,大都集中在磁流体制作[2]及密封、阻尼、热交换、磁回路和传感器等方面的应用[3-4]。此外,磁流体作为一种纳米[5]流体材料,能够制成新型的纳米管、纳米发电机、纳米泵、纳米马达和其他一些纳米装置[6]。磁微粒旋转能够产生微能量,美国宇航局已经把这种方法应用于航天器。

磁流体一个最具前沿的应用是大面积光显示[7-10],韩国Hongik大学的Seo教授领导的科研小组在磁流体的光学显示研究方面走在了世界的前列,他们详细研究了纳米磁流体材料的性能、显示原理及结构设计。其中,显著的成果是首次研制出了磁流体平板显示器件样品,并进行了大量的理论仿真和实验研究[7-9]。

而在磁流体光显示器件进入应用之前,需要对磁流体的光学显示特性进行测试,以期对磁流体的显示性能进行改进。因此,本文利用原子力显微镜、LAMBDA 900、WYKO等仪器对光显示用煤油基铁磁流体的光学特性进行了测试和分析。

1 煤油基铁磁流体的物理参数

磁流体是由磁性纳米颗粒、表面活性剂、载液三部分组成的稳定的胶体分散体系。磁流体的磁性是由磁性纳米颗粒提供,载液决定着磁流体的用途,表面活性剂起中间介质的作用。通过表面活性剂对粒子的表面改性既可避免超细微粒的团聚倾向,又可使微粒与基液具有较好的相容性。

利用非极性磁流体如煤油基磁流体中,对磁性颗粒进行表面活性剂包覆后形成。非极性载液磁流体的磁性、稳定性和热传导性在很大程度上取决于磁流体中Fe3O4超微粒子的磁性、粒径和浓度,而极性载液如水基磁流体的稳定性和热传导性却与双分子表面活性剂包覆层密切相关。

表1 磁流体的部分物理参数

磁流体的性能参数主要有磁化强度、粘度和使用温度范围等,在一些场合还有蒸汽压及其他理化参数。本研究中采用的磁流体是将铁磁微粒分散到煤油载液中形成的胶态体系,经测试,部分物理参数如表1所示。

2 磁流体的AFM测试

在磁流体光显示器件中,磁微粒尺寸的大小对显示分辨率起着决定性的作用。为此,首先利用原子力显微镜(美国Di公司产,型号:Di3100s)测量了磁流体中铁磁微粒的尺寸及其分布,其测量结果如图1a、1b所示。

图1 原子力显微镜(AFM)测试图

图1a、1b分别是原子力显微镜测试的立体和平面图片,从图1可以看出:在3μm×3μm的区域内磁流体中磁微粒的尺寸在 40 nm以内,其分布具有明显的区域特性,即在某一区域内磁微粒的尺寸和分布比较均匀,而区域间磁微粒的尺寸和分布存在较大差异。将尺寸和分布比较均匀的某一区域内的磁微粒,称为磁微粒族。磁微粒族中的粒子是全同微粒,它们的地位是等价的。在光显示器件中,不同磁微粒族对应着不同的信息。因此,磁微粒族的均匀性对器件的显示来说是至关重要的。

3 磁流体的吸收光谱

磁流体作为被动式光显示器件的工作物质[8],研究其对入射光的透射、反射和吸收光谱的分布具有特别重要的意义。

将磁流体薄膜涂抹在光学载玻片上,在不同区域测量其厚度取平均,得到磁流体薄膜的厚度值约为20μm(下同)。然后,利用LAMBDA 900分光光度计研究其光学透过率,测试波长范围400～2 000 nm,其光学透过率曲线如图2所示。

图2 磁流体薄膜透过率随波长的变化

由图2可以看出:磁流体薄膜的光学透过率在400～600 nm基本没有变化,在 600～800 nm急剧增加,然后缓慢减小;在大于1 400 nm的波段又逐渐增加。在可见光区域,磁流体薄膜的光学透过率在大于 550 nm的波段单调递增,对632.8 nm波长光的透过率约为 19%,如图3所示。如果应用于光显示,应提高其蓝谱段的透光率系数,使之在整个可见光区域具有均匀的透光率。

磁流体薄膜的透过率与其光学吸收系数呈互补关系,由磁流体薄膜的吸收系数测试可以验证,如图4所示,在可见光范围(400～700 nm)的光学吸收系数曲线恰好与透过率曲线的变化趋势相反。在可见光范围的平均吸收系数α=5×103cm-1。

4 磁流体液面光学形态分析

下面利用韩国Seo教授提供的磁流体光显示器件样品,分析当激光照射在显示器件的磁流体薄膜上时,薄膜液面在通电前后的轮廓变化,进一步验证其光电显示的可行性。

利用WYKO非接触式轮廓仪(美国岱美公司产,型号:RST-PLUS),对磁流体器件通电前后两个状态的液面轮廓进行了检测。仪器的工作波长为650 nm。测试得知,通电前磁流体薄膜表面比较平坦,只有个别区域有隆起现象,这可能由于器件水平度不够的缘故。通电后薄膜表面的起伏变大,最大值与最小值间距由1.28μm变为1.70μm;均方根粗糙度由214.31 nm变为271.70 nm,这说明通电前后液面形貌有所变化,但变化不大,仅为测试波长的十分之一左右。可见,液面的反射光对光显示性能有一定影响,但不起决定作用。

对显示器件表面某一区域磁流体膜进行 WYKO测试可知:液面起伏的区域特性十分明显,即某一区域的液面高度基本相同;区域间液面的起伏相差较大。与AFM的分析对应可知:每一个液面高度相同的区域对应一个磁微粒族。通电后磁流体液面这些不同区域移动到不同的位置,且表面高度有所变化;这说明磁微粒族在磁场作用下从一个位置运动到另一个位置,根据其被动式显示原理[11],能够实现器件的亮、暗转换。

5 结论

经过对煤油基铁磁流体的测试,要实现磁流体的光显示性能,磁微粒的尺寸应该在 100 nm以内,在可见光区域,磁流体薄膜的光学透过率在大于 550 nm的波段单调递增;而通过对通电前后的磁流体光显示器件的WYKO测试,发现在光显示原理上来说,煤油基铁磁流体能够实现亮、暗间的转换。但要真正实现在大面积光显示领域的应用,需要在磁微粒的尺寸、运动的精确控制等方面进行大量的工作。

致谢:感谢韩国宏益大学电子工程系J.W.Seo教授提供本文测试的磁流体光显示器件样品。

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