CN110568534A - 一种角度鲁棒性好的结构色纳米薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种角度鲁棒性好的结构色纳米薄膜及其制备方法，该材料结构体系自衬底向上依次包括金属反射层和强吸收性介质层；通过调控该纳米薄膜结构在可见光波段范围内的反射率，可以获得色域调控范围大、饱和度较好的结构色。所述的吸收性介质层厚度仅为几十个乃至几个纳米，远小于可见光波长，产生的结构色对入射光的角度不敏感。本发明还公开了一种结构色纳米薄膜材料的制备方法，该制备方法无需复杂工艺，过程简单，可实现大面积制备。
Description
技术领域
本发明属于光学功能材料领域，涉及了一种角度鲁棒性好深亚波长结构色纳米薄膜材料及其制备方法。
背景技术
颜色是人类的感官系统对可见光所产生的视觉感受，不同波长的光会引起不同颜色感觉。相较于传统的色素型材料，利用人工微结构产生颜色的结构色材料通常具有无毒无害、环境友好以及不易褪色等优点，在光学防伪、色彩装饰以及光学传感探测等领域具有巨大的应用潜力。
体系由折射率不同的多种介质材料周期型排列成的光子晶体被广泛用来产生结构色。通过调整光子晶体的周期，基于可见光在介质层之间的法布里-珀特干涉效应可以获得各种绚丽的颜色。但这种结构所需的介质层厚度通常与光的波长数量级相当，随着入射角度的改变，光在介质层中的光程变化较大，继而光子晶体对光的反射率变化也会很大，最终导致光子晶体产生的结构色会随着入射光角度的变化而发生明显的改变，即出现彩虹效应。这种强烈依赖于入射光角度的性质大大限制了该类结构在色彩展示与光学设备等各个方面的应用。
金属纳米结构在特定的光照条件下会发生自由电荷的集体振荡，即激发表面等离激元共振，并通常会导致等离激元共振吸收，从而产生等离激元结构色。不同形状与尺寸的金属纳米结构会形成不同的吸收和散射光谱，从而可产生不同的颜色，与光子晶体相比，等离激元共振体系结构色单元尺寸更小，对入射光角度的依赖性降低，器件的尺度也可以做到更加紧凑微型化。不过，这些金属纳米结构通常需要利用先进的微纳加工技术制造，例如包括电子束光刻技术、纳米压印技术、聚焦离子束刻蚀和激光直写技术等。这些加工技术工艺复杂，对设备要求高，因此成本较高，另一方面难以大面积制备，难以大规模应用。
发明内容
针对目前结构色体系角度依赖性问题，本发明公开一种具有深亚波长厚度的结构色纳米薄膜材料，该结构体系颜色可调，角度鲁棒性好。具体结构组成自衬底1向上依次包括金属反射层2与强吸收性介质层3。
所述金属反射层2为金、银、铁、镍或铝层，其厚度为0.1-2μm；
所述强吸收性介质层3为氧化铜、氧化亚铜或二者混合物，其厚度为10-60nm。
不同于传统的薄膜干涉，该结构利用强吸收性介质与金属层之间的强干涉效应，使得干涉效应能发生在厚度远小于入射波长的吸收层内，因此产生的结构色角度鲁棒性好，不会出现彩虹效应。另外，针对目前结构色体系制备中的需要利用复杂繁琐的加工工艺问题，本发明还公开一种双层纳米薄膜结构的制备方法，通过简单地薄膜沉积与热氧化制备出了对角度不敏感的结构色，所述制备方法无需复杂的微纳加工技术，成本低，而且可以大面积制备。
本发明的具体技术方案如下：
一种角度鲁棒性好深亚波长结构色纳米薄膜材料体系，自衬底向上依次包括金属反射层与强吸收性介质层，所述金属反射层包括金、银、铁、镍或铝层，其厚度为0.1-2μm。所述吸收性介质层为氧化铜、氧化亚铜或二者混合物,厚度为10-60nm。
一种角度鲁棒性好深亚波长结构色纳米薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：
1)预处理衬底；
2)选取高纯度(99.99％)金属靶材，在步骤1)处理过的衬底表面沉积获得一层厚度为0.1-2μm的金属反射层；
3)选取高纯度(99.99％)铜靶材，在步骤2)获得的金属层上沉积获得一层厚度为5-30nm的铜薄膜；
4)将步骤(3)中获得的纳米薄膜在空气中加热使铜氧化，获得厚度为10-60nm的吸收介质层。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1，本发明中的结构色纳米薄膜厚度远小于工作波长。本结构中顶层吸收介质层厚度仅几个或几十个纳米，若应用于器件可以使器件的尺寸更加微型化。
2，本发明中制备的结构色具有很好的角度鲁棒性。本结构产生的结构色角度稳定性好，颜色不会随着角度的变化而发生改变。
3，本发明提供了一种产生结构色纳米薄膜的制备方法。相较于常用的微纳加工手段，本方法工艺简单，适合大面积制备。
附图说明
图1为纳米薄膜材料体系结构示意图，其中衬底(1)、金属反射层(2)和强吸收性介质层(3)。
图2为实施例1中的纳米薄膜材料在可见光波段的正入射反射光谱图；
图3为实施例1中的纳米薄膜材料在可见光波段不同入射角度下的反射光谱图；
图4为实施例2中的纳米薄膜材料在可见光波段的正入射反射光谱图；
图5为实施例3中的纳米薄膜材料在可见光波段的正入射反射光谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
将硅片依次用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗，确保表面清洗干净，随后用氮气枪将硅片吹干。将洗净后的硅片固定在热蒸发设备沉积室中，将高纯度(＞99.99％)金颗粒放在钼舟上，设置膜厚仪预沉积厚度为150nm，随后抽真空至沉积室真空度为10-4Pa以下；打开蒸发源，调节电流至120A开始沉积金属层，沉积时间为30min，获得厚度为150nm的金属反射层。将镀有金薄膜的硅片放在磁控溅射沉积室中，选用高纯度铜靶，设置膜厚仪预沉积厚度为5nm，抽真空至沉积室真空度为10-4Pa以下；通入氩气气流使沉积室气压保持在0.4Pa，预溅射1min去除铜靶表面的氧化物后开始沉积铜薄膜，沉积时间为30s，在硅衬底上获得Au/Cu双层薄膜。将上述双层薄膜样品放入马弗炉内加热，设置升温速率为10℃每分钟升温至400℃，设置保温时间为120min，最终得到具有结构色彩的纳米薄膜。
对样品进行正入射反射率测试结果如图1所示，通过角分辨光谱仪对样品进行变角度反射率测试结果如图2所示。
从图3可以看到，随着入射光角度的变化，该双层薄膜结构的反射率变化很小，说明该材料体系具有角度不敏感性。
实施例2
将硅片依次用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗，确保表面清洗干净，随后用氮气枪将硅片吹干。将洗净后的硅片固定在热蒸发设备沉积室中，将高纯度(＞99.99％)铝颗粒放在钨舟上，设置膜厚仪预沉积厚度为100nm，随后抽真空至沉积室真空度为10-4Pa以下；打开蒸发源，调节电流至130A开始沉积金属层，沉积时间为20min，获得厚度为100nm的金属反射层。将镀有铝薄膜的硅片放在磁控溅射沉积室中，选用高纯度铜靶，设置膜厚仪预沉积厚度为30nm，抽真空至沉积室真空度为10-4Pa以下；通入氩气气流使沉积室气压保持在0.4Pa，预溅射1min去除铜靶表面的氧化物后开始沉积铜薄膜，沉积时间为200s，在硅衬底上获得Al/Cu双层薄膜。将上述双层薄膜样品放入马弗炉内加热，设置升温速率为10℃每分钟升温至200℃，设置保温时间为20min，最终得到具有结构色彩的纳米薄膜。
对样品进行正入射反射率测试结果如图4所示。
实施例3
将硅片依次用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗，确保表面清洗干净，随后用氮气枪将硅片吹干。将洗净后的硅片固定在热蒸发设备沉积室中，将高纯度(＞99.99％)金颗粒放在钼舟上，设置膜厚仪预沉积厚度为150nm，随后抽真空至沉积室真空度为10-4Pa以下；打开蒸发源，调节电流至120A开始沉积金属层，沉积时间为30min，获得厚度为150nm的金属反射层。将镀有金薄膜的硅片放在磁控溅射沉积室中，选用高纯度铜靶，设置膜厚仪预沉积厚度为17nm,抽真空至沉积室真空度为10-4Pa以下；通入氩气气流使沉积室气压保持在0.4Pa，预溅射1min去除铜靶表面的氧化物后开始沉积铜薄膜，沉积时间为90s，在硅衬底上获得Au/Cu双层薄膜，将上述双层薄膜样品放入马弗炉内加热，设置升温速率为10℃每分钟升温至500℃，设置保温时间为240min，最终得到具有结构色彩的纳米薄膜。
对样品进行正入射反射率测试结果如图5所示。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (2)
1.一种角度鲁棒性好的结构色纳米薄膜，其特征在于，
所述纳米薄膜材料体系自衬底(1)向上依次包括金属反射层(2)与强吸收性介质层(3)；
所述金属反射层(2)为金、银、铁、镍或铝层，其厚度为0.1-2μm；
所述强吸收性介质层为氧化铜、氧化亚铜或二者混合物，其厚度为10-60nm。
2.一种制备如权利要求1所述的一种角度鲁棒性好的深亚波长结构色纳米薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)预处理衬底；
2)选取纯度为99.99％的金属靶材，在步骤1)处理过的衬底表面热蒸发沉积获得金属反射层；
3)选取纯度为99.99％的铜靶材，在步骤2)获得的金属层上进行磁控溅射，生长一层厚度为5-30nm的铜薄膜；
4)将步骤3)中获得的纳米薄膜在空气中加热使铜氧化，获得吸收性介质层纳米薄膜，其中加热处理温度为200-500℃，保温时间为20-240分钟。
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