煤油基鐵磁流體的光學特性測試

臺玉萍 ,李新忠 ,王亞軍 ,聶兆剛

(1.河南科技大學a.化工與制藥學院;b.物理與工程學院,河南洛陽 471003;2.中科院西安光學精密機械研究所網絡信息中心,陜西西安 710119;3.東京電氣通信大學應用物理化學部和激光科學研究院,日本 東京 182-8585)

0 前言

磁流體是一種包含鐵磁微粒的穩定膠態分散體系[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、納米發電機、納米泵、納米馬達和其他一些納米裝置[6]。磁微粒旋轉能夠產生微能量,美國宇航局已經把這種方法應用于航天器。

磁流體一個最具前沿的應用是大面積光顯示[7-10],韓國Hongik大學的Seo教授領導的科研小組在磁流體的光學顯示研究方面走在了世界的前列,他們詳細研究了納米磁流體材料的性能、顯示原理及結構設計。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,并進行了大量的理論仿真和實驗研究[7-9]。

而在磁流體光顯示器件進入應用之前,需要對磁流體的光學顯示特性進行測試,以期對磁流體的顯示性能進行改進。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特性進行了測試和分析。

1 煤油基鐵磁流體的物理參數

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的作用。通過表面活性劑對粒子的表面改性既可避免超細微粒的團聚傾向,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,對磁性顆粒進行表面活性劑包覆后形成。非極性載液磁流體的磁性、穩定性和熱傳導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定性和熱傳導性卻與雙分子表面活性劑包覆層密切相關。

表1 磁流體的部分物理參數

磁流體的性能參數主要有磁化強度、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。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體系,經測試,部分物理參數如表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,型號:Di3100s)測量了磁流體中鐵磁微粒的尺寸及其分布,其測量結果如圖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的區域內磁流體中磁微粒的尺寸在 40 nm以內,其分布具有明顯的區域特性,即在某一區域內磁微粒的尺寸和分布比較均勻,而區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域內的磁微粒,稱為磁微粒族。磁微粒族中的粒子是全同微粒,它們的地位是等價的。在光顯示器件中,不同磁微粒族對應著不同的信息。因此,磁微粒族的均勻性對器件的顯示來說是至關重要的。

3 磁流體的吸收光譜

磁流體作為被動式光顯示器件的工作物質[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載玻片上,在不同區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分光光度計研究其光學透過率,測試波長范圍400～2 000 nm,其光學透過率曲線如圖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。在可見光區域,磁流體薄膜的光學透過率在大于 550 nm的波段單調遞增,對632.8 nm波長光的透過率約為 19%,如圖3所示。如果應用于光顯示,應提高其藍譜段的透光率系數,使之在整個可見光區域具有均勻的透光率。

磁流體薄膜的透過率與其光學吸收系數呈互補關系,由磁流體薄膜的吸收系數測試可以驗證,如圖4所示,在可見光范圍(400～700 nm)的光學吸收系數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α=5×103cm-1。

4 磁流體液面光學形態分析

下面利用韓國Seo教授提供的磁流體光顯示器件樣品,分析當激光照射在顯示器件的磁流體薄膜上時,薄膜液面在通電前后的輪廓變化,進一步驗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,型號:RST-PLUS),對磁流體器件通電前后兩個狀態的液面輪廓進行了檢測。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,只有個別區域有隆起現象,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變為1.70μm;均方根粗糙度由214.31 nm變為271.70 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。可見,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域磁流體膜進行 WYKO測試可知:液面起伏的區域特性十分明顯,即某一區域的液面高度基本相同;區域間液面的起伏相差較大。與AFM的分析對應可知:每一個液面高度相同的區域對應一個磁微粒族。通電后磁流體液面這些不同區域移動到不同的位置,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位置運動到另一個位置,根據其被動式顯示原理[11],能夠實現器件的亮、暗轉換。

5 結論

經過對煤油基鐵磁流體的測試,要實現磁流體的光顯示性能,磁微粒的尺寸應該在 100 nm以內,在可見光區域,磁流體薄膜的光學透過率在大于 550 nm的波段單調遞增;而通過對通電前后的磁流體光顯示器件的WYKO測試,發現在光顯示原理上來說,煤油基鐵磁流體能夠實現亮、暗間的轉換。但要真正實現在大面積光顯示領域的應用,需要在磁微粒的尺寸、運動的精確控制等方面進行大量的工作。

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

[1] Berkovsky BM,Medvedev V F,KrakovM S.Magnetic Fluids Engineering and Applications[M].Oxford:Oxford University Press,1993.

[2] 漆紅蘭.磁性微粒的制備方法和研究進展[J].生命的化學,2002,22(6):586-589.

[3] 翁興園.磁流體技術及應用發展現狀與未來[J].金屬材料研究,1999,25(1):26-30.

[4] Raj K,Moskowitz B,Casciari R.Advances in Ferrofluid Technology[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 1995,149:174-180.

[5] 魏榮慧,杜凱,鞏曉陽,等.液相沉淀法制備碳纖維/二氧化錫復合材料及其相關性質[J].河南科技大學學報:自然科學版,2010,31(4):1-5.

[6] Zahn M.Magnetic Fluid and Nanoparticle Applications to Nanotechnology[J].Journal of Nanoparticle Research,2001,3: 73-78.

[7] Seo JW,Wang X J.Magnetic-fluid Microelectromechanical Light Modulator[J].JOptics and Precision Engineering,2005, 13(5):542-547.

[8] Seo JW,Park SJ.An Experimental Study of LightModulator Using Magnetic Fluid for Display App lications[J].Journalof Magnetism and Magnetic Materials,1999,192:499-504.

[9] Seo JW,Jeon SM,Park S J,et al.An Experimental and Numerical Investigation of Panel Display Cell Using Magnetic Fluid[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials,2002,252:353-355.

[10] Seo JW,Kim H,Sung S.Design and Fabrication of a Magnetic Microfluidic Light Modulator Using Magnetic Fluid[J].Journalof Magnetism and Magnetic Materials,2004,272:1787-1789.