CN106383403B - 一种可拉伸变形的超表面彩色显示器件 - Google Patents

一种可拉伸变形的超表面彩色显示器件 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可拉伸变形的超表面彩色显示器件，该器件自下而上依次包括：柔性可拉伸变形的基底、超表面结构。所述超表面结构是由周期排列的一维或二维纳米结构阵列组成。本发明利用柔性基底的可拉伸特性，在可控拉力下，通过拉伸基底改变超表面结构的周期，实现从绿色(530nm)到紫红色(670nm)的大色域色彩动态调控。本发明此器件在彩色显示、快速心率检测、生物仿生传感、力学监控、穿戴等方面应用前景广泛。

Description

一种可拉伸变形的超表面彩色显示器件
技术领域
本发明属于彩色显示技术领域，尤其是涉及一种可拉伸变形的超表面彩色显示器件
背景技术
常见的色彩主要来源于染料、色素、金属粒子掺杂、荧光效应、微纳结构等，这几种色彩产生的机制中大部分是通过吸收特定波长的光并反射(或者透射)余下的光谱。近来，由于等离子学的兴起使得纳米结构再次吸引了大家的目光，这也造就了另外一种不同形式的颜色产生机制的出现：结构色。结构色来自于光与纳米结构表面的相互作用。不同于其他色彩的产生机理，结构色更加明亮并且不会褪色，此外，可以通过对结构自由设计来获得不同的色彩。正因存在这些优势，结构色在显示、防伪等方面具有一定的优势。
结构色起源于交叉学科仿生学，来源于我们对动物界中五彩的颜色认知，这些的来源包括衍射光栅(导模共振)、法布里-珀罗谐振腔、光子晶体、等离子体效应等。基于导模共振效应的显示器所产生的共振峰很锐，使得结构色彩纯度和亮度均很高，然而结构的共振峰位不能调控。干涉调制显示器作为一种新型的法布里-珀罗谐振腔能够通过微机电系统来调控谐振腔中间隙的大小来获得整个可见光范围连续动态可调的色彩，但鉴于外部控制系统的原因，这种技术并不太便捷也不易集成化。光子晶体可通过调节结构的有效折射率达到动态调控的目的，然而却需通过改变工作环境来实现。等离子体因在光波段具有不同的用途被认知，但由于完整器件结构的制备使其不太容易支持光谱的动态调控，除非器件结构中引入一些可以调控的材料或者复合结构，如石墨烯等。然而常见的基于石墨烯的光电器件在可见光范围内缺乏有效的调控能力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有彩色显示器件所存在的不足，提供一种可拉伸变形的超表面彩色显示器件，实现大色域色彩的动态调控。
本发明解决其技术问题采用以下技术方案：
一种可拉伸变形的超表面彩色显示器件，从上至下依次包括：
(1)柔性可拉伸变形的基底，所述基底采用的材料为工作波段透明、高化学稳定性的柔性可拉伸变形的介质材料，其中，所述变形为双向、可逆的变形，所述基底在二维平面内可沿各个方向拉伸。
(2)超表面结构，所述超表面结构是由周期排列的一维或二维离散的纳米结构阵列组成；所述超表面结构的占空比选择范围为：0.35-0.75。所述超表面结构的周期随基底的拉伸变形而改变，周期变化范围为：300-600nm；所述超表面结构设置于基底上方的中心区域，以保证拉伸基底时其结构变化的均匀性。
优选地，所述柔性可拉伸变形的基底材料包括：聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯、聚对二甲苯；所述基底的厚度设计为既可轻松拉伸变形又能保证拉伸过程中结构的完整，厚度约为：0.5-3mm。
优选地，所述纳米结构阵列的结构单元包括金属纳米结构或金属-介质-金属纳米结构。
优选地，所述金属纳米光栅结构所用金属的电导率大于104；所述金属-介质-金属纳米光栅结构所用金属的电导率大于104，所用介质材料的介电常数范围为2.25～10、介电损耗角正切值的范围为：0～0.05。
进一步地，所述器件工作方式可采用反射式或透射式。
进一步地，所述器件可沿x方向和y方向拉伸，使器件整体在这两个方向延展，改变超表面结构的周期，还可以只沿一个方向拉伸，同时保证器件在另一个方向上不发生形变。
进一步地，所述彩色显示器件适用于可见光波段；光源入射方向可以为正入射或斜入射。
本发明的设计原理如下：
表面等离子体光学旨在研究光子与纳米金属结构表面共振产生的表面等离子体(Surface Plasmons，SPs)的特性及其在纳光子器件和相关纳米技术中的各种潜在应用。表面等离子体是一种基于外界电磁辐射和金属表面传导电子相互作用下金属和介质交界面处产生的电子集群振荡。相比于自由空间的光波，亚波长特性和非辐射特性是表面等离子体的两个重要特征，也是其在纳米尺度上实现电磁能量局域增强的前提。金属纳米结构支持表面等离子体共振效应(SPR)，其共振峰位可以由公式(1)确定，
Figure BDA0001174774710000021
其中，εm和εd分别为发生等离子共振效应的金属与介质的介电常数，p是金属纳米结构的周期。对于所设计结构中，金属和介质的介电常数是已知的，通过外力的作用使得柔性基底发生一定形变，此时结构的周期p随之发生变化，表面等离子体共振效应(SPR)所产生的共振峰位λspp随之发生改变，从而器件呈现出不同的色彩。
与现有技术相比的，本发明的有益效果为：本发明设计巧妙简单，操作便捷仅通过外力拉伸来改变器件的结构即可实现实现大色域色彩的动态调控。此外本发明很轻薄便于集成化。
附图说明
图1为本发明实施例1中的一种可拉伸变形的超表面彩色显示器件的结构示意图；
图2(a)为本发明在D65光源(晴天下的日光)正入射以及不同周期条件下的反射光谱仿真图，图2(b)为图2(a)中反射光谱所对应的反射色彩图；
图3(a)为本发明在D65光源正入射以及不同拉伸长度条件下所测得的反射光谱实验图，图3(b)为在不同拉伸长度下CCD所拍到的实际色彩变化图，图3(c)为图3(a)中反射光谱所对应的反射色彩图；
图4为为本发明在D65光源斜入射以及不同周期条件下的反射色彩图；
图5为本发明实施例2中的一种可拉伸变形的超表面彩色显示器件的结构示意图；
图6(a)为本发明实施例2中的结构在D65光源正入射以及不同周期条件下的透射光谱图，6(b)为图6(a)中透射光谱图所对应防热透射色彩图。
附图标记含义：
1为柔性可拉伸变形的基底；
2为金属纳米结构阵列；
3为金属-介质-金属纳米结构阵列，其中301为该结构中的金属，302为该结构中的介质。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的实施进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面的实施例，下面的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，应包括权利要求书中的全部内容；而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求书中的全部内容，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明的宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
实施例1
如图1所示为本发明的一种可拉伸变形的超表面彩色显示器件的结构示意图，该显示器件自下而上包括：基底，超表面；其中，基底材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，厚度d＝1mm超表面是由金属铝圆柱形纳米结构阵列组成，其中圆柱形纳米结构的直径r＝200nm,高h＝100nm,x方向和y方向的周期px＝py＝320nm,在条件下，利用时域有限元差分法(FDTD)对该结构在入射光源为D65光源(晴天下的日光)正入射以及不同周期条件下进行模拟，得到图2(a)中的反射光谱，参见图2(a)随着周期变大共振峰位也随之发生红移，并且由于周期变大，结构占空比降低，反射率也随之降低。
图2(b)为对应图2(a)中的反射光谱，所计算得到的色彩变化图，从图中可以看出随着周期的变化，色彩出现了很明显的变化，当周期为320nm时结构呈现出偏绿白色，随着周期变大到400nm时，结构出现橘黄色，当周期为500nm时结构为深紫色。这一色彩变化可以很直观的表现出所设计的结构对周期的敏感性。
接下来，对上述结构进行实验验证，在平行于衬底的一维方向施加拉力，采用分光光度计(Lambda 1050)测得光谱如图3(a)所示。图中“0mm”表示结构未拉伸状态时的反射光谱图，“2mm”表示PDMS拉伸2mm时的反射光谱图。从光谱图中可以发现随着PDMS的拉伸，反射光谱图的共振峰位随之发生红移，当拉伸较大时峰位移动较小。图3(b)为CCD直接拍到的色彩变化图，图3(c)为分光光度计所测的光谱计算得到的D65光源正入射下的色彩变化图。
基于上述结构，本实施例还探索了D65光源在不同入射角情况下，不同周期时的结构反射色彩，如图4所示。由图可知，结构在较小的周期时，器件结构对角度出现了一定的敏感性，然而随着周期变大，角度的影响开始减弱。
实施例2
考虑到上述结构为较为简单基础的阵列化金属纳米颗粒超表面结构，阵列化的金属-介质-金属(MIM)超表面结构能够提供更强的模式耦合效应，这也许能够提供更加有效的电磁场调控能力，因而本实施例对此作了相应的探究，设计了另一种可拉伸变形的超表面彩色显示器件。其结构如图5所示，包括：基底、超表面，其中，基底材料选择PDMS，厚度d＝1mm，所述超表面为MIM二维光栅型纳米结构，MIM纳米方柱结构为具有相同的边长w＝250nm，其中，MIM纳米结构中的金属材料301为Al，其厚度均为h＝50nm，介质材料302为SiNx，折射率为2.0，厚度为t＝80nm。结构在入射光源D65光源正入射以及不同周期下的透射光谱图如图6(a)所示。如图6(a)右上角点所示，当结构周期较小时，色彩纯度较高，当周期逐渐变大后，色彩纯度变低，当周期p为400nm时，结构所呈现的色彩开始变白。图6(b)为D65光源正入射时器件结构在不同周期下呈现的色彩。相较于前面的金属二维光栅结构而言，MIM结构由于模式耦合的原因使得所能结构色彩变化的色域面积变小，但仍能获得较明显的色彩变化，这种较小周期即可获得明显色彩变化，较大周期色彩呈现出白色的现象，可用于高灵敏力学检测以及彩色-白色二进制传感器。
因此，以上实施例验证了我们所设计的基于柔性可拉伸衬底来获得结构色彩动态调控的方法是可行的。
尽管已经参考本发明的典型实施例，具体示出和描述了本发明，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行形式和细节上的多种改变。

Claims (1)

1.一种可拉伸变形的超表面彩色显示器件，其特征在于：从上至下依次包括：
(1)柔性可拉伸变形的基底，所述基底采用的材料为工作波段透明高化学稳定性的柔性可拉伸变形的介质材料，其中，所述变形为双向可逆的变形，所述基底在二维平面内可沿各个方向拉伸；
(2)超表面结构，所述超表面结构是由周期排列的二维离散的纳米结构阵列组成；所述超表面结构的占空比选择范围为：0.35-0.75，所述超表面结构的周期随基底的拉伸变形而改变，周期变化范围为：300-600nm；所述超表面结构设置于基底上方的中心区域，以保证拉伸基底时其结构变化的均匀性；
所述柔性可拉伸变形的基底材料包括：聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯或聚对二甲苯；所述基底的厚度设计为既可轻松拉伸变形又能保证拉伸过程中结构的完整，厚度为：0.5-3mm；
所述纳米结构阵列的结构单元包括金属纳米结构或金属-介质-金属纳米结构；
所述金属纳米结构所用金属的电导率大于104；所述金属-介质-金属纳米结构所用金属的电导率大于104，所用介质材料的介电常数范围为2.25～10，介电损耗角正切值的范围为：0～0.05；
所述器件工作方式可采用反射式或透射式；
所述器件可沿x方向和y方向拉伸，使器件整体在这两个方向延展，改变超表面结构的周期，或者只沿一个方向拉伸，同时保证器件在另一个方向上不发生形变；
所述彩色显示器件适用于可见光波段；光源入射方向为正入射或斜入射；
其中，表面等离子体光学旨在研究光子与纳米金属结构表面共振产生的表面等离子体的特性及其在纳光子器件和相关纳米技术中的各种潜在应用，表面等离子体是一种基于外界电磁辐射和金属表面传导电子相互作用下金属和介质交界面处产生的电子集群振荡，相比于自由空间的光波，亚波长特性和非辐射特性是表面等离子体的两个重要特征，也是其在纳米尺度上实现电磁能量局域增强的前提，金属纳米结构支持表面等离子体共振效应，其共振峰位由公式(1)确定，
Figure FDA0002508325650000011
其中，εm和εd分别为发生等离子共振效应的金属与介质的介电常数，p是金属纳米结构的周期，对于所设计结构中，金属和介质的介电常数是已知的，通过外力的作用使得柔性基底发生一定形变，此时结构的周期p随之发生变化，表面等离子体共振效应所产生的共振峰位λspp随之发生改变，从而器件呈现出不同的色彩。
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