基于水凝胶纳米微腔实现动态结构色及全息切换的方法

1.本发明属于微纳光学及薄膜光学技术领域，具体涉及一种基于水凝胶纳米微腔实现动态结构色及全息切换的方法。


背景技术：

2.结构色是由物理结构本身对光谱的选择性而产生的颜色，与色素着色无关，具有稳定，不褪色，环保等优点。在超表面光学领域，通过设计单元结构的尺寸大小、形状以及周期等几何特征，基于等离子体共振等物理机制，可以实现多彩的结构色。另一方面，基于法布里-珀罗(fabry
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perot，fp)腔的干涉效应，一种由金属-绝缘体-金属三层薄膜组成的透射式纳米微腔滤光片被提出。(li z,butun s,aydin k.large-area,lithography-free super absorbers and colorfilters at visible frequencies using ultrathinmetallic films[j].acs photonics,2015,2(2):183-188.)。其具有简单的结构，以及出色的光谱选择性，因此也被广泛应用于结构色的生成以及助力新型的光子学器件。与超表面生成结构色所需的纳米结构相比，金属-绝缘体-金属纳米微腔享有更简单的结构和设计机理，即只需改变绝缘体层的厚度，就能实现透射光颜色。然而，目前基于金属-绝缘体-金属纳米微腔的结构色大多数是静态的，同时，将其应用以实现多功能的集成器件仍未被探索。结构色纳米印刷和全息，是光学信息显示的两个重要组成部分，如何将他们集成并实现动态的显示或切换，仍缺少探索和实现路径。随着对光学器件小型化，集成化的要求和趋势，利用微纳尺度下的结构，探索并实现多功能以及动态可调控的器件，亟待新的创新和革命。


技术实现要素：

[0003]
针对现有技术中的不足，本发明提供了一种基于水凝胶的纳米微腔结构实现动态结构色及全息切换的方法。用此方法，可以通过设计具有空间排布的阶梯式纳米微腔阵列，来同时实现彩色纳米印刷图像的颜色动态调控和两幅全息图像的动态切换。
[0004]
为实现上述目的，本发明提供一种基于水凝胶纳米微腔实现动态结构色及全息切换的方法，其特征在于：包括如下步骤：
[0005]
s1：利用电子束灰度曝光加工出具有不同水凝胶高度的金属-水凝胶-金属纳米微腔；
[0006]
s2：将样品分别置于低相对湿度和水浸润的环境中并测量光谱；
[0007]
s3：找出两种具有不同水凝胶厚度的纳米微腔分为第一结构1和第二结构2；所述第一结构1和第二结构2在特定波长λ处，在不同环境中能够实现透射率的反转；即低环境湿度：对于特定波长λ，第一结构1透射率高，第二结构2透射率低；水浸润：对于特定波长λ，第一结构1透射率低，第二结构2透射率高；
[0008]
s4：将两幅全息图像即全息图#1和全息图#2所需的相位分布分别对应于所述第一结构1和第二结构2的空间排布，同时将第一结构1和第二结构2的空间排布与需要显示的纳
米印刷图像中两种不同的颜色相对应；
[0009]
s5：在白光照射下纳米印刷图像在不同湿度环境下，显示不同的颜色；当用特定波长的激光照射时，纳米微腔阵列在低环境湿度下，投射出全息图#1，在水浸润环境下，投射出全息图#2。
[0010]
作为优选方案，制备得到一种基于水凝胶的纳米微腔结构，由三层薄膜结构堆叠构成：金属-水凝胶-金属；所述金属-水凝胶-金属按照自上至下的顺序依次排布；
[0011]
所述金属-水凝胶-金属三层结构的金属层材料为银，所述水凝胶层材料为聚乙烯醇或其它具有吸水膨胀特性的材料；
[0012]
所述水凝胶层能吸水膨胀，调制纳米微腔的共振波长，从而调制透射颜色。
[0013]
本发明的优点和有益效果如下：
[0014]
1、将水凝胶作为纳米微腔的中间层，由于水凝胶吸水膨胀的特性，使得纳米微腔的腔长可调，实现了基于透射式纳米微腔结构色的动态调控。其产生的结构色可以从紫色连续调控至红色，覆盖了可见光波段。同时基于水凝胶的纳米微腔还具有超微尺寸，易于集成等重要优点。
[0015]
2、基于水凝胶的纳米微腔结构的调控方式是改变环境湿度，即对水响应，是一种易得，简单，经济适用的调控方式。
[0016]
3、本发明利用水凝胶纳米微腔，通过空间排布设计，可以实现纳米印刷图像和全息图像的集成。同时，由于水凝胶对水响应，可以实现彩色纳米印刷的动态颜色调控以及全息图像的切换，为实现动态光学器件提供了新的范例。
附图说明
[0017]
图1是本发明中实现具有不同水凝胶厚度纳米微腔的加工示意图；
[0018]
图2是本发明实施例中纳米微腔的光谱透射率随水凝胶厚度变化的仿真效果图；
[0019]
图3是本发明实施例中水凝胶纳米微腔吸水膨胀引起透射颜色变化的效果示意图；
[0020]
图4是本发明实施例中水凝胶纳米微腔在水浸润下逐步膨胀引起透射光谱移动的实验效果图；
[0021]
图5是本发明实施例中水凝胶纳米微腔被水浸润时间与透射峰值波长移动的实验效果图；
[0022]
图6是本发明实施例中水凝胶纳米微腔将全息相位与纳米印刷图案相结合的示意图；
[0023]
图7是本发明实施例中两种不同结构区域处于不同环境时，在650nm波长下透射率的实验效果图；
[0024]
图8是本发明实施例中不同环境下对样片进行全息测量的实验示意图；
[0025]
图9是本发明实施例中不同环境下样片实现彩色纳米印刷的实验效果图；
[0026]
图10是本发明实施例中不同环境下样片实现动态全息切换的实验效果图。
[0027]
图中：t为水凝胶层的厚度；第一结构1；第二结构2。
具体实施方式
[0028]
为了更清楚的说明本发明结构以及其实现的功能，下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明。
[0029]
实施例1
[0030]
本实施例为一种水凝胶纳米微腔的加工方法，以及基于水凝胶的纳米微腔结构实现动态结构色的实验结果。
[0031]
作为实施例，图1展示了具有不同水凝胶厚度的纳米微腔的制造流程。首先，在二氧化硅基底上依次用热蒸发沉积1nm的铬膜，25nm银膜，随后旋涂一层水凝胶薄膜(～240nm)。这里，1nm的铬膜用于增加银膜和二氧化硅基底之间的粘附性。然后，通过灰度曝光技术，用不同剂量的电子束曝光水凝胶薄膜的不同区域。曝光完，经过去离子水显影操作后，被曝光区域的水凝胶将会留下，同时由于曝光剂量的不同，留下的水凝胶厚度也会不同。最后，通过热蒸发整体沉积一层20nm的银膜，可以实现具有不同水凝胶厚度的金属-水凝胶-金属纳米微腔。由于水凝胶的厚度不同，基于法布里-珀罗(fabry
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perot，fp)腔的干涉效应，当白光入射纳米微腔时，纳米微腔的腔长即水凝胶的厚度将决定透射光谱的峰值。因此，通过空间排布具有不同水凝胶高度的阶梯式纳米微腔，可以产生基于结构色的彩色纳米印刷图案。
[0032]
图2绘制了纳米微腔透射光谱随水凝胶厚度变化的仿真结果，可以看到当水凝胶厚度为90nm左右，光谱的透射峰在短波长处，此时纳米微腔透射的颜色为蓝紫色；当水凝胶厚度为175nm左右，光谱的透射峰移动到了长波长，此时纳米微腔的透射颜色为红色。
[0033]
基于此，通过调整纳米微腔中水凝胶的厚度即可实现透射颜色动态地从蓝紫色变成红色。由于使用的是聚乙烯醇水凝胶，其在水环境下可以吸水膨胀。因此，对于水凝胶纳米微腔来说，如果环境湿度逐渐增加，水凝胶层将逐渐吸水膨胀变厚，导致透射波长的连续移动，表现为透射颜色的动态显示，如图3所示。
[0034]
图4展示了单个水凝胶纳米微腔，在吸水膨胀过程中，光谱连续变化的实验测量结果。在低环境湿度下，初始的水凝胶纳米微腔透射峰在450nm左右，对应的水凝胶层厚度约为90nm；随后将水凝胶纳米微腔浸润在水中，随着吸水膨胀，光谱逐渐红移，最多可以移动到770nm左右。图4中光谱右上角的序号代表了光谱采集的顺序。不难看出，水凝胶纳米微腔的吸水膨胀，可以带来连续的透射光谱调控，并且透射光谱的峰值可以从450nm到770nm连续变化。
[0035]
图5展示了单个水凝胶纳米微腔透射峰值随其浸润时间的变化。由于水凝胶被银层覆盖，其吸水过程是动态的。从图中可以看出，水凝胶纳米微腔在刚浸入水中时，由于水凝胶吸水膨胀，其透射峰值波长快速变化。当浸润半个小时之后，由于水凝胶吸水逐渐饱和，膨胀速率下降，透射峰值波长的移动也变慢，最后趋于稳态。
[0036]
综上所述，水凝胶作为纳米微腔的中间层，由于其吸水膨胀特性，可以有效的调节纳米微腔的腔长，从而改变共振波长，有效的实现了透射颜色的动态调控。因此，可以用于实现动态结构色的生成和调控。
[0037]
实施例2
[0038]
本发明提供一种基于水凝胶纳米微腔实现动态结构色及全息切换的方法，主要包含以下步骤：
[0039]
s1：利用电子束灰度曝光加工出具有不同水凝胶高度的金属-水凝胶-金属纳米微腔；
[0040]
s2：将样品分别置于低相对湿度和水浸润的环境中并测量光谱；
[0041]
s3：找出两种具有不同水凝胶厚度的纳米微腔分为第一结构1和第二结构2；所述第一结构1和第二结构2在特定波长λ处，在不同环境中能够实现透射率的反转；即低环境湿度：对于特定波长λ，第一结构1透射率高，第二结构2透射率低；水浸润：对于特定波长λ，第一结构1透射率低，第二结构2透射率高；
[0042]
s4：将两幅全息图像即全息图#1和全息图#2所需的相位分布分别对应于所述第一结构1和第二结构2的空间排布，同时将第一结构1和第二结构2的空间排布与需要显示的纳米印刷图像中两种不同的颜色相对应；
[0043]
s5：在白光照射下纳米印刷图像在不同湿度环境下，显示不同的颜色；当用特定波长的激光照射时，纳米微腔阵列在低环境湿度下，投射出全息图#1，在水浸润环境下，投射出全息图#2。
[0044]
本实施例为一种基于水凝胶的纳米微腔结构实现一幅动态结构色纳米印刷图像及两幅全息图切换的方法。
[0045]
作为实施例，首先通过常规的计算机生成全息算法计算出两幅全息图(全息图#1和全息图#2)分布所需的二台阶相位(0和π)并将其填充至区域a和区域b，如图6所示。选择两种具有不同水凝胶厚度的纳米微腔(第一结构1和第二结构2)，区域a中相位为π的地方放置第一结构1，相位为0的地方水凝胶厚度为0；同理，区域b中相位为π的地方放置第二结构2，相位为0的地方水凝胶厚度为0。通过这样排布水凝胶纳米微腔，根据迂回相位原理，全息所需的相位分布将编码到空间排布的水凝胶阵列中。同时，因为不同水凝胶厚度的纳米微腔颜色不同，区域a和区域b表现出不同的颜色，显示为纳米印刷的彩色图案。
[0046]
图7为区域a和区域b由于填充结构不同，在不同环境下，测得的在650nm下透射率的变化。当在低环境湿度时，对于650nm波长，区域a透射率低，区域b透射率高；当被水浸润时，区域a透射率高，区域b透射率低。由于这样的透射率反转，当用650nm的激光照射样片时，在低环境湿度下，区域a由于透射率低，其携带的全息信息无法显示，主要由区域b提供全息信息，即一幅幼苗的图案(全息图#1)；在浸润环境下，区域b由于透射率低，其携带的全息信息无法显示，主要由区域a提供全息信息，即一幅花的图案(全息图#2)。
[0047]
测量时改变环境状态的方法，如图8所示。通过两片玻璃和胶构建出一个空腔，将样片放在空腔中，通过往空腔中充入干燥氮气来构建低环境湿度；通过往空腔中注入水，来构建浸润的环境。
[0048]
图9显示了彩色纳米印刷图像的实验结构，在低环境湿度下，小鸟显示为红色(区域b)，区域a显示为绿色；当样片被浸润在水中，由于水凝胶纳米微腔吸水膨胀，其透射率峰值的变化，区域b小鸟的颜色变成了绿色，区域a变成了红色。图中的标尺为250微米。因此，实现了纳米印刷图案的动态颜色调控。值得注意的是，图案的颜色是连续变化的，也就是当环境从低湿度到浸润，区域a中的绿色是逐渐且连续的变成红色，因此过程是动态的。
[0049]
对于全息图像来说，通过改变环境湿度，可以改变650nm下样片的工作区域，即低环境湿度下区域b工作，浸润条件下区域a工作。实验结果如图10所示，可以明显看到在相同的位置，改变环境湿度，幼苗的图案消失，而花的图像显现。
[0050]
实验结果表明，这两幅全息的切换具有不错的对比度。因此，所提出的基于水凝胶的纳米微腔结构实现动态结构色和全息切换的方法，可以为动态全息显示和多功能显示器件提供新的范例。
[0051]
此外，所提出的基于水凝胶纳米微腔实现动态结构色及全息切换的方法，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据此方法将全息切换拓展至三幅或者多幅，将近场纳米印刷图案的颜色从双色提升至多色。