CN106842376A - 一种三维超构材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种三维超构材料，具有多个周期性分布的U形结构，每个U形结构对应图像中的一个像素点，所有U形结构共同组成所需图像；U形结构由两臂及连接两臂的底部构成，两臂与Z轴同向且相邻U形结构的臂相互独立不接触，底部与X轴的夹角为θ，0°≤θ≤90°；进一步的，本发明还公开这种三维超构材料的制备方法，以及基于这种三维超构材料的灰度编码和显示方法及二值编码和显示方法。通过设计特定的金属结构单元引入额外自由度调控电磁波的物理性质，可以使超构材料对不同频率的电磁波实现选择性吸收，对不同偏振态的电磁波实现全吸收、部分吸收或全反射，由此可在编码与成像技术中有着重要应用。
Description
技术领域
本发明属于光电信息功能器件与新能源材料技术领域，具体地涉及一种基于U形结构且可用于灰度编码和显示以及二值编码和显示的三维超构材料。
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，都是基于二维结构超构表面来实现的，而由于其可编码自由度少，灵活程度受到限制。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开一种基于U形结构的新型三维超构材料，相较于传统的超构表面，通过设计特定的金属结构单元引入额外自由度调控电磁波的物理性质，可以使超构材料对不同频率的电磁波实现选择性吸收，对不同偏振态的电磁波实现全吸收、部分吸收或全反射；并且由于该性质，本发明所公开的三维结构可在编码与成像技术中有重要应用。
本发明公开一种三维超构材料，具有多个周期性分布的U形结构；U形结构由两臂及连接两臂的底部构成，两臂与Z轴同向且相邻U形结构的臂相互独立不接触，底部与X轴的夹角为θ，0°≤θ≤90°；每个U形结构对应图像中一个像素点，所有U形结构共同组成所需图像。
进一步的，各U形结构的整体高度一致，与X轴的夹角为θ，不同θ角度对应的U形结构对同一偏振方向的入射光吸收的强弱程度不同，对应一种灰度显示。
进一步的，U形结构的周期4±0.5微米；
进一步的，所述U形结构的高度为1.5～2.3微米。
进一步的，U形结构的底部的高度为0.7±0.1微米，底部的长为2±0.2微米，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。
本发明还公开一种三维超构材料的制备方法，包括如下步骤：
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U形结构支撑模型；再在U形结构支撑模型和衬底表面镀一层厚度均匀的金属薄膜，从而制备出上述三维超构材料；金属薄膜采用银膜、金膜或合金膜。
本发明还公开一种灰度编码与显示的方法，其特征在于：基于上述三维超构材料，通过对图像中各像素点对应的U形结构底部与X轴的夹角θ的不同设计，实现图像黑白灰色彩显示；通过改变像素点对应的U形结构的高度实现对不同频率入射光的选择性吸收。
本发明还公开一种二值编码与显示的方法，其特征在于：上述三维超构材料，底部与X轴的夹角θ取0°或90°，通过改变入射光的偏振方向来显示不同二值图像；通过改变像素点对应的U形结构的高度实现对不同频率入射光的选择性吸收。
本发明的有益效果是：
(1)相较于传统的超构表面，本发明所公开的三维超构材料通过周期性分布的特定U形结构引入了额外自由度以灵活地调控电磁波的物理性质，大大提高了编码的自由度，使其在编码与成像技术中能有更重要的应用。
(2)通过设计特定的U形结构单元，可以使超构材料对不同偏振态的电磁波实现全吸收、部分吸收或全反射，该特点是常规材料很难达到的。
(3)具体可通过改变U形结构单元的高度，可实现不同频率的电磁吸收，根据需要实现电磁波吸收波段的选择；通过改变U形结构单元底部的取向，实现图像的灰度编码和显示；可通过设计特定U形结构的排布，实现二值图像的编码和显示。
(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就可以实现，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所示为三维U形结构单元的模拟实验图。
图1中(a)是U形结构单元的示意图，底边与X轴夹角为θ。
图1中(b)是不同θ角对应的U形结构单元的模拟反射谱线，入射光沿X方向偏振。
图1中(c)是底部取向X方向的U形结构单元的模拟反射和透射谱。
图1中(d)是将U形结构单元按周期排列制备样品的扫描电镜照片，标尺表示4微米长度。
图2所示为灰度显示实验图。
图2中(a)是实验中制备马里奥样品的扫描电镜照片，标尺表示200微米长度,该样品由四种像素构成，分别对应图1(a)中θ＝0°、30°、60°、90°U形结构单元。
图2中(b)是X偏振入射光下的焦平面阵列图像，积分区间为1200-1300波数。
图3所示为二值显示实验图。
图3中(a)是实验制备样品“A”、“B”的扫描电镜照片。
图3中(b)是图3(a)中黑色方框区域倾斜45度的扫描电镜照片。
图3中(c)(d)分别是X和Y偏振入射光下的焦平面阵列图像，积分区间为1200-1300波数，箭头方向代表入射光偏振方向。
示意图中的标号说明：
1金属薄膜 2介质衬底 3介质材料构成的U形结构单元，表面覆盖薄金属层
图4所示为三维超构材料的制作流程图。
具体实施方式
实施例中公开一种三维超构材料，具有多个周期性分布的U形结构；以空间三维坐标系(X，Y，Z)为基准，U形结构由两条与Z轴同向的臂和一条连接两条臂的底部构成，两臂与Z轴同向且相邻U形结构的臂相互独立不接触，底部与X轴的夹角为θ，0°≤θ≤90°；每个U形结构对应图像中的一个像素点，所有U形结构共同组成所需图像。
如图1(a)所示实施例中，U形结构的周期p为4微米，U形结构的底部的高度d为0.7微米，底部的长度L为2微米，U形结构的底部的线宽m为0.3微米；U形结构底部与X轴夹角为θ，0°≤θ≤90°；金属薄膜的厚度为35纳米。图1(d)是将U形结构按周期p为4微米排列的示意图。在上述尺寸条件下，整体高度h在1.5～2.3微米之间的U形结构对应着在中红外波段1045～1520波数的电磁波吸收。如，h为1.5微米时，对应频率为1520波数的吸收峰；h为1.8微米时，对应1270波数的吸收峰；h为1.9微米时，对应频率为1220的电磁波吸收；h为2.3微米时，对应1045波数的吸收峰。实施例中高度h取1.9微米。
进一步的，也可以通过改变U形结构的周期分布和几何尺寸，将电磁波的吸收波段扩展到多个其它波段，其中，几何尺寸指U形结构的整体高度及底部尺寸等，但几何尺寸起主要作用的是U形结构的整体高度。
此外，在保持U形结构的周期分布和几何尺寸不变的情况下，还可以通过改变U形结构与X轴的夹角实现灰度编码显示或二值编码显示，即，各U形结构支撑模型底部取向可根据编码需求设计成与X轴成不同夹角，以实现某一频率特定方向的偏振光入射后的全吸收、部分吸收、全反射现象，进而实现图像的灰度编码显示或二值编码显示。
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％；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％；更一般地，当入射光偏振方向与U形结构底部夹角为θ时，反射率可表示为R＝1-A0cos2(θ)，式中A0为最大吸收强度。若设计两个U形结构互相垂直交叉站立，呈十字型排布时，无论入射光偏振方向如何，在结构中均可产生面电流振荡，所以反射率基本为零，吸收率接近100％。
实施例中所公开的三维超构材料，可利用飞秒脉冲双光子激光直写技术在介质衬底上制备U形结构阵列，介质衬底可以采用玻璃片或其它透明介质，如石英。
具体方法如图4所示：首先在玻璃片衬底上均匀涂一层光刻胶，利用光学显微系统将激光焦点汇聚在光刻胶内；固定激光焦点位置，通过控制平移台的移动，使得激光焦点在光刻胶内的相对位置发生变化，同时在焦点处光刻胶的化学性质发生变化，以形成编码所需要的多个周期性分布的U形结构支撑模型；激光直写完毕后，利用显影液进行显影后得到多个周期性分布的U形结构支撑模型；最后在U形结构支撑模型和玻璃衬底的表面镀上一层35纳米厚的均匀金属薄膜。金属薄膜可采用银膜、金膜或合金膜等贵金属材料。
如图1(b)所示，入射光沿X方向偏振，通过模拟得到的不同θ角的U形结构单元的反射谱线，采用的是具有图1(a)实施例中的U形结构，即整体高度为1.9微米，周期p为4微米，金属膜厚度为35纳米的超构材料。从图中可以看到，共振峰处的反射率随着θ的增大而增大。
如图1(c)所示，U形结构的底部取向X方向，即θ角为0°时的U形结构的模拟反射和透射谱。从图中可以看到，该结构单元构成的阵列在共振频率对X偏振入射光全吸收，对Y偏振入射光全反射；且无论X或Y偏振入射光的透射率均接近于0。
据此，基于本发明所公开的三维超构材料可实现灰度编码显示，即，当某偏振方向电磁波入射时，可根据需求对图像中各像素点设计相应的θ角度以进行图像的灰度显示。定义入射光偏振方向与U形结构底边夹角为θ，那么每种灰度对应一定θ角度的U形结构。利用这些单元对成像区域不同位置进行编码，当一定频率特定偏振电磁波正入射时，不同θ角度的U形结构单元对电磁波的反射率不同(R＝1-A0cos2(θ))，从而呈现出由多种灰度构成的图像。在上述灰度编码显示中，θ＝0°时结构单元反射率最低(全吸收)，θ＝90°时结构单元反射率最高(全反射)。把全吸收和全反射态分别定义为“暗”、“亮”态，那么利用灰度显示中两种特殊取向的U形结构单元可以实现图像的二值图像的编码与显示。
具体的，假定各U形结构的整体高度一致，底部根据图像颜色显示的需要，与X轴的θ夹角有多种。对应一种灰度的U形结构单元底边与X轴夹角为θi，入射光沿X方向偏振。在光谱中吸收峰处，反射率(亮度)与角θi的关系为Rθi＝1-A0cos2(θi)式中A0为最大吸收强度。此式与模拟结果图1(b)一致。从此式可得θ＝90°时反射率达到最大，且通过改变θ，像素点的亮度可以连续调节。因此，当入射光偏振状态确定时，改变U形结构单元的底部取向可以获得不同反射强度的像素点，对应不同灰度。
在实际应用中，这种灰度编码显示可用于制作图像的黑白灰照片，也可用于区分显示同一图像中的不同区域。
图2中(a)是实验制备马里奥样品的扫描电镜照片，样品区域大小为800微米*800微米。该样品共包括四种像素，对应图1(a)中θ＝0°、30°、60°、90°的U形结构单元，其中0°为最暗态，90°为最亮态，U形臂高度1.9微米，吸收频率对应波数1220。入射光沿X方向偏振，利用焦平面阵列探测器收集反射信号并在1200-1300波数区间内对反射信号积分，最终成像如图2(b)。从图中可看出图像由4种像素点构成，对应4种灰度。理论上，利用该编码方法可以实现更多的灰阶显示，本实施例中仅以四个角度的结构单元实现四种显示为例进行讨论。
结合上述分析看，对于U形结构单元，当入射光偏振方向与底部平行，即θ＝0°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，即θ＝90°时，电磁波几乎全反射，定义为“亮”态；。该结果与图1(c)所得一致。故，还可以利用上述结构单元中的两种特殊取向的U形结构实现二值图像的编码与显示。
本发明公开另一种实施例，采用三类像素点来用于二值编码与显示，分别是：底部沿X方向的U形结构单元、底部沿Y方向的U形结构单元、底部沿X方向和底部沿Y方向互相垂直交叉站立(即呈十字型结构的U形结构单元)；U形结构的整体高度为1.9微米，吸收频率对应波数1220。这三类像素点在X、Y偏振电磁波入射下均只可能处在“亮”或“暗”态，此即二值。
利用这三类像素点对成像区域编码：两图像重叠区域由十字型像素点构成，两图像余下区域分别由X像素点和Y像素点构成。当沿X方向或沿Y方向的偏振电磁波正入射时，每个像素点仅有“暗”、“亮”两态，三维超构材料根据事先编码呈现不同的图像显示。
如图3所示，以大写字母“A”、“B”成像为例。图3中(a)、(b)，制备时，字母“A”、“B”的重叠区域为呈十字型结构的U形结构单元，字母“A”余下区域为底部沿X方向的U形结构单元，字母“B”的余下区域为底部沿Y方向的U形结构单元。
图3中(c)(d)分别是X和Y偏振入射光照射下的焦平面阵列图像，反射信号积分区间为1200-1300波数，箭头代表入射光偏振方向。可以看到，当入射电磁波沿X、Y方向偏振时，像素点处于“亮”或“暗”态，整体分别呈现字母“A”，“B”，以此实现了大写字母“A”、“B”的二值编码与显示。
以上实施例中均是固定了U形结构的高度进行描述，在实际应用中，并不需要一定固定U形结构的高度，只要在其合理范围，如图1(a)中的周期和U形结构尺寸，其高度可根据需要在1.5～2.3微米范围内任意选取，从而实现对不同频率的入射光的选择性吸收。并且，也可根据编码需要，在同一图像或同一块材料中设计有不同高度和不同底部取向的U形结构，以实现灰度编码和显示及二值编码和显示。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种三维超构材料，其特征在于：具有多个周期性分布的U形结构，每个U形结构对应图像中的一个像素点，所有U形结构共同组成所需图像；所述U形结构由两臂及连接两臂的底部构成，两臂与Z轴同向且相邻U形结构的臂相互独立不接触，底部与X轴的夹角为θ，0°≤θ≤90°。
2.如权利要求1所述的三维超构材料，其特征在于：所述U形结构的周期4±0.5微米。
3.如权利要求1所述的三维超构材料，其特征在于：所述U形结构的高度在1.5～2.3微米范围内。
4.如权利要求1所述的三维超构材料，其特征在于：所述U形结构的高度一致。
5.如权利要求1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，底部的长为2±0.2微米，U形结构的线宽为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U形结构支撑模型；再在U形结构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任意一项所述的三维超构材料。
8.如权利要求7所述的三维超构材料的制备方法，其特征在于：所述金属薄膜是银膜、金膜或合金膜。
9.一种灰度编码与显示的方法，其特征在于：基于如权利要求1所述的三维超构材料，通过对图像中各像素点对应的U形结构底部与X轴的的夹角θ的不同设计，实现图像的黑白灰色显示；通过改变像素点对应的U形结构的高度实现对不同频率入射光的选择性吸收。
10.一种二值图像编码与显示的方法，其特征在于：基于如权利要求1所述的三维超构材料，底部与X轴的夹角θ取0°或90°，通过改变入射光的偏振方向来显示不同二值图像；通过改变像素点对应的U形结构的高度实现对不同频率入射光的选择性吸收。
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