CN106842375A - 用于多频率二值显示和编码的三维超构材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于多频率的二值显示和编码的三维超构材料，具有多个周期性分布的像素点结构单元，每个像素点结构单元包括至少两个U形结构；像素点结构单元中的U形结构根据编码需要成不同的排布，且相邻U形结构的臂相互独立不接触；U形结构由两臂及连接两臂的底部构成，两臂与Z轴同向，底部与X轴或Y轴同向，且沿Z轴方向的高度至少有两种。还公开了基于该三维超构材料的制备方法和二值显示与编码方法。实现通过改变像素点结构单元中的U形结构的高度和底部取向，在不同频率不同偏振实现对入射电磁波的选择性吸收，制备多频率的二值成像点。
Description
技术领域
本发明属于光电信息功能器件与材料制备技术领域，具体涉及一种用于多频率的二值显示和编码的结构及制备方法。
背景技术
二值显示与编码在通讯、计算等方面有着重大应用。过去利用人工微结构和超构材料设计的二值显示与编码材料，都是基于二维结构来实现的，而由于其可编码自由度少，灵活程度受到限制，故需要一种新的三维结构设计来增加维度，增加可编码自由度，从而使得功能更加集成。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种新型的三维超构材料及其制备方法，以及采用该三维超构材料的二值显示与编码器件及方法，通过维度的增加，可编码自由度增加，使得功能更加集成。
可以在不同频率不同偏振实现对入射电磁波的选择性吸收，从而实现多频率的二值成像。
本发明公开一种用于二值显示和编码的三维超构材料，具有多个周期性分布的像素点结构单元，每个像素点结构单元包括至少两个U形结构；像素点结构单元中的U形结构根据编码需要成不同的排布，且相邻U形结构的臂相互独立不接触；U形结构由两臂及连接两臂的底部构成，其中，两臂与Z轴同向，底部与X轴或Y轴同向，且沿Z轴方向的高度至少有两种；周期是指的相邻像素点结构单元之间的距离。
进一步的，每个U形结构代表一种图像的一个像素点，各像素点结构单元中相应位置的像素点共同组成该图像；其中，所述像素点结构单元中的至少两个U形结构的底部均与X轴或Y轴同向，且各U形结构的高度不同；或者至少一个U形结构的底部与X轴同向，且与X轴或Y轴同向的各U形结构的高度不同。
进一步的，周期为4±0.5微米；所述U形结构的整体高度在1.5-2.3微米之间，底部的高度为0.7±0.1微米，底部的长度2±0.2微米。
进一步的，U形结构的线宽为0.3±0.05微米。
进一步的，三维超构材料的厚度为40±5纳米。
本发明还公开一种基于微纳结构的二值显示与编码的三维超构材料的制备方法，其步骤包括：在涂有光刻胶的介质衬底上利用显影液进行显影后呈现多个周期性分布的像素点结构单元支撑模型；再在像素点结构单元支撑模型和衬底表面镀一层均匀覆盖的金属薄膜，从而制备出具有上述公开特点的用于二值显示与编码的三维超构材料。
进一步的，金属薄膜是银膜、金膜或合金膜。
进一步的，金属薄膜，即三维超构材料的厚度为40±5纳米。
基于具有上述公开特点的用于二值显示与编码的三维超构材料，本发明还公开一种二值显示与编码方法，通过改变像素点结构单元中U形结构的高度实现对不同频率入射光的选择性吸收，通过改变像素点结构单元中U形结构的底部的X轴或Y轴取向实现在不同偏振对入射光的选择性吸收。
进一步的，通过改变像素点结构单元的周期和像素点结构单元中U形结构的尺寸可以调整可吸收的入射光的频率范围。
本发明的有益效果是：
(1)通过本发明所公开的三维超构材料，具有像素点结构单元阵列构造的连续金属表面，通过改变像素点结构单元中的U形结构的高度和底部取向，在不同频率不同偏振实现对入射电磁波的选择性吸收，从而制备多频率的二值成像点。
(2)相较于现有的平面超构材料，其超构表面大多是基于平面金属结构的几何差异来调控电磁波，本发明所公开的三维超构材料引入了额外的编码自由度，即改变金属结构的高度，实现振荡频率的改变，从而可以调控电磁波的物理性质，使得功能更加集成。
(3)通过设计特定的像素点结构单元可以使超构材料对于不同偏振状态的入射电磁波实现全反射或全吸收，该特点是常规材料很难达到的。
(4)本发明所公开的制备三维超构材料的方法中，对金属薄膜下方的介质衬底的衬底性质基本无要求；且制备方法通过现有技术可以实现，如飞秒脉冲双光子激光直写技术、显影液显影技术、金属镀膜技术等，且制备工艺简单，设计灵活，可扩展性强。
附图说明
图1是像素点结构单元中的U形结构示意图。
图2是由两个不同高度垂直交叉站立的U形结构组成的结构单元的二值显示与编码的实验图。
图2中(a)是两个垂直交叉站立的U形结构组成的结构单元的示意图。
图2中(b)是两个垂直交叉站立的U形结构重复单元P(h1,h2)实验测得的反射谱，P(h1,h2)单元中对应底部取向为X方向的U形结构高度为h1，底部取向为Y方向的U形结构高度为h2。
图2中(c)、(d)是两个垂直交叉站立的U形结构重复单元按周期排列制备的样品“C”“D”的扫描电子显微镜照片。
图2中(e)、(f)分别是X和Y偏振方向入射光下的焦平面阵列图像，积分区间为1220-1320波数，箭头方向代表入射光偏振方向。
图3是由4个不同高度的U形结构首尾相连排成的正方形结构单元的显示与编码的实验图。
图3中(a)是4个不同高度的U形结构首尾相连排成正方形结构单元的示意图。
图3中(b)是图3中(a)结构单元的正视图。
图3中(c)、(d)是由4个不同高度的U形结构首尾相连排成的正方形结构单元按周期排列制备的样品“E”“F”“G”“H”的扫描电子显微镜照片。
图3中(e)、(f)分别是X和Y偏振方向入射光下的焦平面阵列图像，积分区间为1000-1100波数，箭头方向代表入射光偏振方向。
图3中(g)、(h)分别是X和Y偏振方向入射光下的焦平面阵列图像，积分区间为1200-1300波数。
图4是基于三维U形结构单元的多频率的二值显示与编码的制备方法的流程图。
示意图中的标号说明：
1.金属薄膜、2.介质衬底、3.表面覆盖有金属层的两个垂直交叉站立的U形结构组成的像素点结构单元中X方向U形结构、4.两个垂直交叉站立的U形结构组成的像素点结构单元中Y方向U形结构、5.U形结构底部、6.负责第一通道编码和显示的U形结构、7.负责第二通道编码和显示的U形结构、8.负责第三通道编码和显示的U形结构、9.负责第四通道编码和显示的U形结构。
具体实施方式
本发明所公开的新型三维超构材料，即具有多个周期性分布的像素点结构单元，每个像素点结构单元包括至少两个U形结构的金属薄膜材料。像素点结构单元中的U形结构根据编码需要成不同的排布，且相邻U形结构的臂相互独立不接触；U形结构由两臂及连接两臂的底部构成，其中，两臂与Z轴同向，底部与X轴或Y轴同向，且沿Z轴方向的高度至少有两种；周期是指的相邻像素点结构单元之间的距离。
基于这种结构的新型三维超构材料，是通过改变像素点结构单元中U形结构的高度实现对不同频率入射光的选择性吸收，通过改变像素点结构单元中U形结构的底部的X轴或Y轴取向实现在不同偏振对入射光的选择性吸收。还可通过改变像素点结构单元的周期和像素点结构单元中U形结构的尺寸来调整可吸收的入射光的频率范围。
根据编码和显示需求，每个像素点结构单元中的不同U形结构可以代表不同图像的一个像素点，各像素点结构单元中对应位置的像素点共同组成一个对应图像；每个像素点结构单元中的不同U形结构也可以代表相同图像的一个像素点，这些像素点共同组成一个对应图像。本专利的实施例针对前种情况进行示例描述。具体如下：
每个像素点结构单元中的不同U形结构代表不同图像的一个像素点，各像素点结构单元中对应位置的像素点共同组成一个对应图像；可见，像素点结构单元中U形结构的数目代表了该超构材料可显示的图像数目。
U形结构由两条垂直向上且高度相等的臂和一条连接两条臂的底部构成；以空间三维坐标系(X，Y，Z)为基准，其中，所有U形结构的两臂与Z轴同向，各U形结构的底部与X轴或Y轴同向。如图1所示，实施例中U形结构的整体高度h在1.5-2.3微米之间，底部的高度d为0.7±0.1微米，底部的长度L为2±0.2微米；U形结构的线宽m为0.3±0.05微米，即，底部和U形臂的线宽为0.3±0.05微米。
新型超构材料中各像素点结构单元的U形结构沿Z轴方向至少具有两种高度，在两个垂直方向上由于U形结构的高度不同，其吸收频率明显不同，且对应的波数也有一定差异，如，X方向高度h1为2.3微米的U形结构对应1045波数的吸收峰，Y方向高度h2为1.8微米的U形结构对应1270波数的吸收峰。
相应的，同一频率的入射光可对应X轴和Y轴两个偏振方向，即X偏振光和Y偏振光。当入射光偏振方向与U形结构底边平行时，在吸收频率结构中产生面电流振荡，使得反射率基本为零，吸收率接近100％(吸收率＝100％-反射率-透射率)；当入射光偏振方向与U形结构底边垂直时，结构中无振荡电流产生，入射光几乎全反射，反射率接近100％。对于U形结构单元，当入射光偏振方向与底边平行时，在吸收频率结构中产生面电流振荡，电磁波几乎全吸收，定义为“暗”态；当入射光偏振与底边垂直时，电磁波几乎全反射，定义为“亮”态。故，某一频率的X偏振光被超构材料中各像素点结构单元的对应高度且沿X轴方向的U形结构吸收变暗，显示该位置U形结构所对应的图像；同理，某一频率的Y偏振光被对应高度的且沿Y轴方向的U形结构吸收变暗，显示该位置U形结构所对应的图像。
故，基于上述新型超构材料进行二值编码，通过改变像素点结构单元中U形结构的高度实现对不同频率入射光的选择性吸收，通过改变像素点结构单元中U形结构的底部的不同取向实现在不同偏振对入射光的选择性吸收，从而达到编码与显示二值图像的目的。
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
实施例1：如图2中(a)所示，利用两个垂直交叉站立的U形结构组成的像素点结构单元对图像进行编码，并把其用于二值显示。通过将两个图像的像素点与两个方向上的U形结构组成的像素点进行一一对应，通过将图像中黑白两种像素点与U形结构高度进行一一对应，从而实现了单一频率两个偏振的二值显示与编码。
该像素点的周期p为4微米，U形结构线宽m为0.3微米，底部高度d为0.7微米，底部长L为2微米。该像素点可用P(h1,h2)表示，P(h1,h2)单元中对应底部取向为X方向的U形结构高度为h1微米，底部取向为Y方向的U形结构高度为h2微米。
图2中(b)是两个垂直交叉站立的U形结构重复单元P(h1,h2)实验测得的反射谱。在两个垂直方向上由于U形结构的高度不同，其吸收频率明显不同，X方向高度h1为2.3微米的U形结构对应1045波数的吸收峰，Y方向高度h2为1.8微米的U形结构对应1270波数的吸收峰。
用像素点P(h1,h2)对图像“C”、“D”进行编码。高度为1.8微米U形结构对应图像黑色像素点即显示的图像“C”、“D”，高度为2.3微米U形结构对应图像白色像素点即背景图像，在本例中，图像C的像素点为P(1.8,2.3)，图像D的像素点为P(2.3,1.8)，既有C又有D的像素点为P(1.8,1.8)，其他区域，即，既没C又没D的区域为P(2.3,2.3)。
图2中(c)、(d)所示为根据上述构造像素点的原理制备的二值显示与编码的样品的扫描电子显微镜照片。图2中(e)、(f)分别是X和Y偏振方向入射光下的焦平面阵列图像，由于结构的吸收频率在1270波数附近，将波数对能量积分，从而呈现出二值图像出来，积分区间为1220-1320波数。可以看到，当入射光分别沿X方向偏振和Y方向偏振时，分别呈现出字母“C”，“D”，实现对图像的二值显示与编码。
实施例2：如图3(a)、(b)所示，用各像素点结构单元中4个不同高度的U形结构首尾相连排成的正方形像素点对图像进行多频率的二值显示与编码。
该像素点的周期p为4微米，每个U形结构线宽m为0.3微米，底部高度d为0.7微米，底部长L为2微米。该像素点的4个U形结构对应二值显示与编码的四个通道CH1，CH2，CH3，CH4。通过调控4个U形结构的高度，可以将图像“E”、“F”、“G”、“H”分别对应于四个通道CH1、CH2、CH3、CH4。在本例中，用像素点P(CH1、CH2、CH3、CH4)对图像“E”、“F”、“G”、“H”进行编码。图像“E”“F”的像素点所对应的通道CH1，CH2的U形结构的高度为2.3微米，图像“G”“H”的像素点所对应的通道CH3，CH4的U形结构的高度为1.9微米，其余部分的U形结构均为1.5微米即白色像素点区域，即“E”、“F”、“G”、“H”都没有的区域。图像“E”“F”“G”“H”对应的像素点分别为(2.3，1.5,1.5,1.5)、(1.5，2.3,1.5,1.5)、(1.5,1.5,1.9，1.5)、(1.5,1.5,1.5，1.9)；同理，“E”和“F”重叠部分的像素点为(2.3，2.3,1.5,1.5)，“G”和“H”重叠部分的像素点为(1.5,1.5,1.9，1.9)，“E”、“F”、“G”重叠部分的像素点为(2.3，2.3,1.9,1.5)，“E”、“F”、“G”、“H”重叠部分的像素点为(2.3，2.3,1.9,1.9)，其他区域的像素点为(1.5，1.5,1.5,1.5)，共有24种像素点。
基于实施例2的设计，当与2.3微米高度对应频率的X偏振光入射时，各像素点结构单元中对应的位置的U形结构吸收该入射光使得该像素点变暗，从而显示出图像“E”；该频率入射光偏振旋转90度，即成为Y偏振光，对应的显示出图像“F”；同理，1.9微米对应频率的X偏振光被吸收后，显示图像“G”，1.9微米对应频率的Y偏振光被吸收后，显示图像“H”。从而实现两种频率两个偏振的二值显示与编码。
图3中(c)、(d)所示为根据上述构造像素点的原理制备的多频率的二值显示与编码的样品的扫描电子显微镜照片。
图3中(e)、(f)分别是X和Y偏振方向入射光下的焦平面阵列图像，积分区间为1000-1100波数；图3中(g)、(h)分别是X和Y偏振方向入射光下的焦平面阵列图像，积分区间为1200-1300波数。
实施例3：作为本发明的改进，实施例2中的四个通道CH1、CH2、CH3、CH4也可根据编码需求分别对应不同的高度，即设计四种不同的U形结构的高度，共有24种像素点，通过不同频率不同偏振方向的入射光显示图像“E”、“F”、“G”、“H”，以此实现四种频率两个偏振的二值显示与编码。
实施例4：图4是本发明所公开的用于二值显示和编码的超构材料的制备方法流程图。如图3所示，包括以下步骤：
S1、在玻璃片衬底上涂一层光刻胶；
S2、利用光学显微系统将飞秒激光焦点汇聚在光刻胶内；
S3、固定激光焦点位置，通过计算机控制压电陶瓷台的移动，使得激光焦点在光刻胶内的相对位置发生变化，在激光焦点处的光刻胶化学性质发生变化；
S4、将激光直写完毕的结构利用显影液进行显影；
S5、在结构表面和衬底表面镀上一层厚度均匀的金属薄膜，这样就制备得到了基于三维U形结构单元的多频率的二值显示与编码样品。
在该制备方法中，金属膜优先采用金、银、合金等贵金属制备；金属薄膜的厚度可控制在40±5纳米。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。通过改变结构周期以及结构尺寸，我们可以在不同波段实现类似的二值显示与编码。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (10)
1.一种用于多频率的二值显示和编码的三维超构材料，其特征在于：具有多个周期性分布的像素点结构单元，每个像素点结构单元包括至少两个U形结构；所述U形结构由两臂及连接两臂的底部构成，其中，两臂与Z轴同向，底部与X轴或Y轴同向，沿Z轴方向的高度至少有两种；所述像素点结构单元中的U形结构根据编码需要成不同的排布，且相邻U形结构的臂相互独立不接触；所述周期是指的相邻像素点结构单元之间的距离。
2.如权利要求1所述的三维超构材料，其特征在于：每个U形结构代表一种图像的一个像素点，其中，所述像素点结构单元中的至少两个U形结构的底部均与X轴或Y轴同向，且各U形结构的高度不同；或者至少一个U形结构的底部与X轴同向，且与X轴或Y轴同向的各U形结构的高度不同。
3.如权利要求1所述的三维超构材料，其特征在于：所述周期为4±0.5微米。
4.如权利要求3所述的三维超构材料，其特征在于：所述U形结构的整体高度根据工作频率不同设计在1.5-2.3微米之间。
5.如权利要求4所述的三维超构材料，其特征在于：所述U形结构的底部的高度为0.7±0.1微米，底部的长度2±0.2微米，U形结构的的线宽为0.3±0.05微米。
6.如权利要求1所述的三维超构材料，其特征在于：所述三维超构材料的厚度为40±5纳米。
7.一种用于二值显示与编码的三维超构材料的制备方法，其特征在于：在涂有光刻胶的介质衬底上利用显影液进行显影后呈现多个周期性分布的像素点结构单元支撑模型；再在像素点结构单元支撑模型和衬底表面镀一层厚度均匀的金属薄膜，从而制备出如权利要求1至6任意一项所述的用于二值显示与编码的三维超构材料。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于：金属薄膜是银膜、金膜或合金膜。
9.一种二值显示与编码方法，其特征在于：基于权利要求1至6任意一项所述的用于二值显示与编码的三维超构材料，通过改变像素点结构单元中U形结构的高度实现对不同频率入射光的选择性吸收，通过改变像素点结构单元中U形结构的底部的X轴或Y轴取向实现在不同偏振对入射光的选择性吸收。
10.如权利要求9所述的二值显示与编码方法，其特征在于：通过改变像素点结构单元的周期和其中U形结构的尺寸来调整可吸收的入射光的频率范围。
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| CN109901246A (zh) * | 2019-03-07 | 2019-06-18 | 南京大学 | 基于三维复合结构单元的多功能偏振调节元器件 |
| CN110376672A (zh) * | 2019-06-27 | 2019-10-25 | 武汉大学 | 一种超表面阵列结构及其在图像显示复用中的应用 |
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| CN103233206A (zh) * | 2013-04-19 | 2013-08-07 | 南京大学 | 一种鱼叉状连续金属膜吸波材料及其制备方法 |
| CN103928764A (zh) * | 2014-04-11 | 2014-07-16 | 东南大学 | 一种多比特电磁编码超材料 |
| CN104577350A (zh) * | 2015-01-15 | 2015-04-29 | 东南大学 | 一种太赫兹宽带编码随机表面 |
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2017
- 2017-01-25 CN CN201710055813.4A patent/CN106842375B/zh active Active
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| CN110376672A (zh) * | 2019-06-27 | 2019-10-25 | 武汉大学 | 一种超表面阵列结构及其在图像显示复用中的应用 |
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