CN112180648A

CN112180648A - 光学薄膜结构、其制备方法以及应用

Info

Publication number: CN112180648A
Application number: CN201910594031.7A
Authority: CN
Inventors: 赵志刚; 陈健; 王振; 丛杉
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2019-07-03
Filing date: 2019-07-03
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2039-07-03
Also published as: CN112180648B

Abstract

本发明公开了一种光学薄膜结构及其制备方法与应用。所述光学薄膜结构包括平行设置的第一、第二光学结构层，所述第一、第二光学结构层是光学反射和/或透射性的，所述第一、第二光学结构层之间设置有介质层，所述介质层与第一光学结构层、第二光学结构层的结合界面分别为所述介质层的第一表面、第二表面，所述第一表面、第二表面与介质层组成光学腔。本发明的光学薄膜结构显现出丰富多彩的反射/透射颜色，特别是在采用电致变色材料形成介质层时，通过调整施加在介质层上的电压大小等，还可实现该光学薄膜结构的结构色与电致变色的融合，使其显现出更为丰富多彩的颜色变化，从而可以在多个领域广泛应用。

Description

光学薄膜结构、其制备方法以及应用

技术领域

本发明涉及一种光学薄膜，具体涉及一种具有反射/透射双模式的光学薄膜结构、其制备方法以及应用，属于光学或光电技术领域。

背景技术

光电信息产业中最有发展前景的通讯、显示和存储三大类产品都离不开光学薄膜结构，如投影机、背投影电视机、数码照相机、摄像机、DVD，以及光通讯中的DWDM、GFF滤光片等，光学薄膜结构的性能在很大程度上决定了这些产品的最终性能。光学薄膜结构正在突破传统的范畴，越来越广泛地渗透到光电器件、空间探测器、集成电路、生物芯片、激光器件、液晶显示、集成光学等各学科领域中，对科学技术的进步和全球经济的发展都起着重要的作用。随着现代科学技术的快速发展，除了要求光学薄膜结构产品具有实用多功能性，以适应光电信息产业，能源产业等领域的营业需求之外，对于其美学多功能性也有亟待解决的需求，以期待应用于建筑、汽车、艺术装饰、和防伪领域。这促使了一系列新型光学薄膜结构及其制备技术的发展。但目前许多光学薄膜结构功能单一，结构复杂，制备技术繁琐，不能满足多功能需求，限制了光电，能源，艺术装饰，防伪，传感，通信等产业的进一步发展。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种光学薄膜结构及其制备方法与应用，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种光学薄膜结构，包括平行设置的第一光学结构层和第二光学结构层，所述第一光学结构层、第二光学结构层是光学反射性和/或光学透射性的，所述第一光学结构层和第二光学结构层之间设置有介质层，所述介质层与第一光学结构层、第二光学结构层的结合界面分别为所述介质层的第一表面、第二表面，所述第一表面、第二表面与介质层组成光学腔；在入射光从第一光学结构层或第二光学结构层入射所述光学腔时，于所述第一表面形成的反射光和于所述第二表面形成的反射光的相移

d为所述介质层的厚度，

为所述介质层的折射率，λ为所述入射光的波长，

为所述入射光在透过所述第一表面或第二表面时的折射角。

进一步地，所述光学薄膜结构具有光学透射工作模式、光学反射工作模式或者光学透射及反射工作模式。

本发明实施例还提供了所述光学薄膜结构的应用，例如在制备光学器件、光电器件、电子器件等设备内的应用。

例如，本发明实施例提供了一种器件，包括相互配合的工作电极及对电极，所述工作电极包括前述的任意一种光学薄膜结构，所述光学薄膜结构内的介质层主要由电致变色材料组成。所述的器件可以是光学器件、电子器件或光电器件等，且不限于此。

进一步的，所述器件还包括电解质，所述电解质分布于所述工作电极与对电极之间。

本发明实施例提供了一种所述器件的调控方法，其包括：

将工作电极、对电极与电源连接形成工作电路；

调整工作电极与对电极之间的电势差，以至少使介质层内电致变色材料的折射率变化，从而调控所述器件的颜色。

本发明实施例提供了一种装置，其包括所述的器件。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明实施例通过调节光学薄膜结构中各光学结构层、介质层的材质和/或厚度等，即可得到丰富多彩的反射/透射结构色，其中更令人感兴趣的是，所述光学薄膜结构从其相互背对的两侧观察，具有截然不同的反射结构色，且还同时存在透射结构色。

2)优选的，本发明实施例的光学薄膜结构采用电致变色材料形成介质层，通过对介质层施加电压，引起电致变色材料折射率的变化，进而改变介质层的光学参数，最终导致光学薄膜结构颜色的改变，这种结构色和电致变色的融合能实现具有丰富颜色变化的反射/透射双模式的多彩电致变色结构。

3)本发明实施例提供的光学薄膜结构制备工艺简单，成本低廉，仅需调控各光学结构层、介质层的材质和/或厚度，即可控制其颜色，反射率和透过率，适于规模化生产和多功能应用，在机械、光电、能源、交通、建筑等领域有广泛应用前景。

附图说明

图1是本发明一典型实施方案中一种新型薄膜结构示意图。

图2是本发明一典型实施方案中一种新型反射/透射双模式多彩电致变色结构的示意图。

图3是图2中电致变色工作电极的结构示意图。

图4是本发明实施例1中一种新型光学薄膜结构的结构示意图。

图5是本发明实施例1中不同氧化钨厚度下新型光学薄膜结构的从第一光学结构一侧看到的反射颜色的照片。

图6为本发明实施例1中不同氧化钨厚度下新型光学薄膜结构的从PET基底方向看到的反射颜色的照片。

图7为本发明实施例1中不同氧化钨厚度下新型光学薄膜结构的透射颜色的照片。

图8为本发明实施例3中一种新型光学薄膜结构的结构示意图。

图9为本发明实施例3中不同氧化钨厚度下新型光学薄膜结构的从第一光学结构一侧看到的反射颜色的照片。

图10是本发明实施例3中不同氧化钨厚度下新型光学薄膜结构的从PET基底方向看到的反射颜色的照片。

图11是本发明实施例3中不同氧化钨厚度下新型光学薄膜结构的透射颜色的照片。

图12是本发明实施例7中一种新型反射/透射双模式多彩电致变色器件的工作电极的结构示意图。

图13是本发明实施例7中不同氧化钨厚度多彩电致变色器件中工作电极(从第一光学结构和基底两侧方向拍摄)在不同电压下的照片。

具体实施方式

针对现有技术的诸多缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。但是，应当理解，在本发明范围内，本发明的上述各技术特征和在下文(实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以相互结合，从而构成新的或者优选的技术方方案。限于篇幅，在此不再一一赘述。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施方案，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下实施例中采用的实施条件可以根据实际需要而做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

又及，需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明实施例的一个方面提供的一种光学薄膜结构包括平行设置的第一光学结构层和第二光学结构层，所述第一光学结构层、第二光学结构层是光学反射性和/或光学透射性的，所述第一光学结构层和第二光学结构层之间设置有介质层，所述介质层与第一光学结构层、第二光学结构层的结合界面分别为所述介质层的第一表面、第二表面，所述第一表面、第二表面与介质层组成光学腔。

进一步地，对于所述光学薄膜结构而言，由从第一光学结构层入射的入射光在所述第一表面形成的反射光与由透过所述介质层的入射光在第二表面形成的反射光干涉叠加。反之亦然，即，由从第二光学结构层入射的入射光在所述第二表面形成的反射光与由透过所述介质层的入射光在第一表面形成的反射光干涉叠加。

进一步地，在入射光从第一光学结构层或第二光学结构层入射所述光学腔时，于所述第一表面形成的反射光和于所述第二表面形成的反射光的相移

d为所述介质层的厚度，

为所述介质层的折射率，λ为所述入射光的波长，

为所述入射光在透过所述第一表面或第二表面时的折射角。

在一些实施方案中，若定义所述第一光学结构层的折射率为

则所述第一表面的反射系数

其中

为入射光于第一表面的入射角。

在一些实施方案中，若定义所述第二光学结构层的折射率为

则所述第二表面的反射系数

其中

为入射光在透过第二表面时的折射角。

在一些实施方案中，所述光学薄膜结构的反射系数表示为：

反射率表示为：

进一步的，所述光学薄膜结构的反射系数、反射率同样适用于入射光从第二光学结构层入射所述光学腔的情况。

在一些实施方案中，若定义所述第一光学结构层的折射率为

则所述第一光学结构层的透射系数

其中

为入射光于第一表面的入射角。

在一些实施方案中，若定义所述第二光学结构层的折射率为

则所述第二光学结构层的透射系数

其中

为入射光在透过第二表面时的折射角。

在一些实施方案中，所述光学薄膜结构的透射系数表示为：

透过率表示为：

进一步的，所述光学薄膜结构的透射系数、透过率同样适用于入射光从第二光学结构层入射所述光学腔的情况。

其中，在所述光学反射工作模式下，所述光学薄膜结构具有双面不对称结构色。

其中，在所述光学透射工作模式下，所述光学薄膜结构具有透明结构色。

在一些实施方案中，所述光学薄膜结构包括一个或多个第一光学结构层、一个或多个介质层和一个或多个第二光学结构层。

在一些实施方案中，所述光学薄膜结构包括多个第一光学结构层和/或多个第二光学结构层以及多个介质层。

在一些实施方案中，所述第一光学结构层和第二光学结构层中至少一者的材质包括金属材料。

在一些实施方案中，所述第一光学结构层或第二光学结构层为金属层。

在一些实施方案中，所述第一光学结构层和第二光学结构层均为金属层。

在一些实施方案中，所述第一光学结构层或第二光学结构层直接为空气。

在一些实施方案中，所述第一光学结构层或第二光学结构层不存在。

进一步的，所述金属材料包括钨，金，银，铜，钛，铝，铬，铁，钴，镍，铂，锗，钯等，但不限于此。

进一步的，所述第一光学结构层或第二光学结构层的厚度优选为0～20nm，优选为大于0而小于20nm。

在一些实施方案中，所述介质层的材质选自有机材料或无机材料。

进一步的，所述无机材料包括金属单质或非金属单质、无机盐、氧化物中任意一种或多种的组合，但不限于此。

进一步的，所述非金属单质包括单晶硅、多晶硅、金刚石中任意一种或多种的组合，但不限于此。

进一步的，所述无机盐包括氟化物、硫化物、硒化物、氯化物、溴化物、碘化物、砷化物或碲化物中任意一种或多种的组合，但不限于此。

进一步的，所述氧化物包括WO₃、NiO、TiO₂、Nb₂O₅、Fe₂O₃、V₂O₅、Co₂O₃、Y₂O₃、Cr₂O₃、MoO₃、Al₂O₃、SiO₂、MgO、ZnO、MnO₂、CaO、ZrO₂、Ta₂O₅、Y₃Al₅O₁₂、Er₂O₃、IrO₂中任意一种或多种的组合，但不限于此。

更优选的，所述氟化物包括MgF₂、CaF₂、GeF₂、YbF₃、YF₃、Na₃AlF₆、AlF₃、NdF₃、LaF₃、LiF、NaF、BaF₂、SrF₂中任意一种或多种的组合，但不限于此。

进一步的，所述硫化物包括ZnS、GeS、MoS₂、Bi₂S₃中任意一种或多种的组合，但不限于此。

进一步的，所述硒化物包括ZnSe，GeSe、MoSe₂、PbSe、Ag₂Se中任意一种或多种的组合，但不限于此。

进一步的，所述氯化物包括AgCl、NaCl、KCl中任意一种或多种的组合，但不限于此。进一步的，所述溴化物包括AgBr、NaBr、KBr、TlBr、CsBr中任意一种或多种的组合，但不限于此。

进一步的，所述碘化物包括AgI、NaI、KI、RbI、CsI中任意一种或多种的组合，但不限于此。

进一步的，所述砷化物包括GaAs等，但不限于此。

进一步的，所述锑化物包括GdTe等，但不限于此。

进一步的，所述介质层的材质包括SrTiO₃、Ba₃Ta₄O₁₅、Bi₄Ti₃O₂、CaCO₃、CaWO₄、CaMnO₄、LiNbO₄、普鲁士蓝、普鲁士黑、普鲁士白、普鲁士绿中任意一种或多种的组合，但不限于此。

进一步的，所述介质层的材质包括液晶材料或MOF材料，但不限于此。

进一步的，所述有机材料包括有机小分子化合物和/或聚合物，但不限于此。

进一步的，所述有机材料包括紫罗精、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚咔唑、酞菁、对苯二甲脂、二甲基联二苯胺、四噻富烯、烷基联吡啶、吩噻唑、聚酰胺、环氧树脂、聚二炔中任意一种或多种的组合，但不限于此。

在一些实施方案中，所述介质层可以主要由电致变色材料组成。所述的电致变色材料可以选自无机、有机材料或者液晶材料和MOF材料等。例如，所述无机材料可以包括WO₃、NiO、TiO₂、Nb₂O₅、Fe₂O₃、V₂O₅、Co₂O₃、Y₂O₃、MoO₃、IrO₂、普鲁士蓝、普鲁士黑、普鲁士白、普鲁士绿等，且不限于此。所述有机材料可以包括紫罗精、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚咔唑、酞菁、对苯二甲脂、二甲基联二苯胺、四噻富烯、烷基联吡啶、吩噻唑、聚二炔等，但不限于此。

在一些实施方案中，所述介质层厚度为大于0而小于或等于2000nm，优选为50～2000nm，更优选为100～500nm，以使所述光学薄膜结构的颜色饱和度更高。

进一步的，还可以在所述第一光学结构层或第二光学结构层与介质层之间增加优化介质层，以优化所述光学薄膜结构的颜色。

进一步的，还可以在所述第一光学结构层或第二光学结构层上增加优化介质层，或者，也可以将所述第一光学结构层或第二光学结构层设置在优化介质层上，以优化所述光学薄膜结构的颜色。

在一些实施方案中，所述第一光学结构层或第二光学结构层与基底结合。

进一步的，所述基底为透明或半透明的。相应的，所述基底的材质可以是透明或半透明的，例如可以选自玻璃、有机玻璃、PET、PES、PEN、PC、PMMA、PDMS等材料中的任意一种或多种的组合，但不限于此。

进一步的，前述优化介质层可以设置在所述第一光学结构层或第二光学结构层与基底之间。

进一步的，所述优化介质层的材质包括但不仅限于WO₃、NiO、TiO₂、Nb₂O₅、Fe₂O₃、V₂O₅、Co₂O₃、Y₂O₃、Cr₂O₃、MoO₃、Al₂O₃、SiO₂、MgO、ZnO、MnO₂、CaO、ZrO₂、Ta₂O₅、Y₃Al₅O₁₂、Er₂O₃、ZnS、MgF₂、SiN_x(氮化硅)等，但不限于此。

进一步的，所述优化介质层的厚度优选为0～2000nm，优选为100～500nm。

在一个较为典型的实施方案中，请参阅图1所示，一种光学薄膜结构包括设置在基底1上的第二光学结构层2、介质层3和第一光学结构层4。该第一光学结构层4、第二光学结构层2为反射/透射层，其可以是金属材质的。

其中，第一光学结构层4也可以直接为空气。

其中，第二光学结构层2也可以不存在。

该典型实施方案中，第一光学结构层、第二光学结构层、介质层的材质、厚度等可以如前文所述。并且，通过调整第一光学结构层4、第二光学结构层2、介质层3的材质以及厚度等，可以改变光学薄膜结构的反射/透射结构色，反射率和透过率。

本发明实施例的另一个方面还提供了一种制备所述光学薄膜结构的方法，其可以包括：通过物理或化学沉积方式，例如涂布、印刷、铸膜等方式或者磁控溅射、电子束蒸发、热蒸发、电化学沉积、化学气相沉积、原子力沉积、溶胶凝胶技术等形成所述第一光学结构层或第二光学结构层、介质层等，且不限于此。

在一些实施方案中，所述第一光或第二光学结构层、介质层可以依次形成在基底上。

进一步的，由电致变色材料做成的电致变色器件已经广泛应用于智能窗、智能指示器、成像设备等。电致变色的原理是在外加电场或者电流的作用下无机或有机的电致变色材料的电子结构和光学属性(反射率、透过率、吸收率等)发生稳定、可逆的变化的现象，在其外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。传统的电致变色可分为两种模型，透过型电致变色器件和反射型电致变色器件，并且，电致变色器件的颜色仅仅只由电致变色本身的电子结构和光学属性决定。因此，电致变色的单一模式和单调颜色调制也成为了限制其应用范围的瓶颈。

在一些实施方案中，可以在所述制备方法进行的过程中，调整所述第一光学结构层或第二光学结构层、介质层的厚度和/或材质等，从而调整所述光学薄膜结构的反射/透射结构色。本发明实施例的另一个方面还提供了一种器件，包括相互配合的工作电极及对电极，所述工作电极包括前述的任意一种光学薄膜结构，所述光学薄膜结构内的介质层主要由电致变色材料组成。

在一些实施方案中，所述器件还包括电解质，所述电解质分布于所述工作电极与对电极之间。

进一步的，在本发明的前述实施例中，所述电解质的类型没有特别限制，可以使用液体电解质、凝胶聚合物电解质或无机固体电解质。在一些实施方案中，所述电解质与介质层接触，并提供用于使电致变色材料变色或脱色的离子，例如氢离子或锂离子的移动环境的材料。

在一些实施方案中，所述电解质可以包含一种或更多种化合物，例如含有H⁺、Li⁺、Al³⁺、Na⁺、K⁺、Rb⁺、Ca²⁺，Zn²⁺、Mg²⁺或Cs⁺的化合物。在一个实施案例中，电解质层可以包含锂盐化合物，例如LiClO₄、LiBF₄、LiAsF₆或LiPF₆。包含在电解质中的离子可以在根据施加的电压的极性被嵌入或移出介质层时对器件的变色或光透射率变化发挥作用。在一些实施方案中，所采用的电解质包含混合的多种离子，其较之单一离子，可以使器件的颜色变化更为丰富饱满。

在一些实施方案中，所述电解质可以是液态电解质，例如水系的LiCl、AlCl₃、HCl、H₂SO₄水溶液等。

在一些实施方案中，所述电解质还可以包含碳酸酯化合物。由于基于碳酸酯的化合物具有高的介电常数，可以增加由锂盐提供的离子导电率。作为基于碳酸酯的化合物，可以使用以下的至少一种：PC(碳酸亚丙酯)、EC(碳酸亚乙酯)、DMC(碳酸二甲酯)、DEC(碳酸二乙酯)和EMC(碳酸乙基甲酯)。例如可以采用有机系的LiClO₄、Na(ClO₄)₃的碳酸丙烯酯电解液等。

在一些实施方案中，所述电解质可以是凝胶电解质，例如PMMA-PEG-LiClO₄，PVDF-PC-LiPF₆，LiCl/PVA，H₂SO₄/PVA等，但不限于此。

在一些优选的实施方案中，当使用无机固体电解质作为所述电解质时，电解质可以包含LiPON或Ta₂O₅。例如，所述电解质可以但不限于为含Li的金属氧化物薄膜，比如LiTaO或LiPO等薄膜。此外，无机固体电解质可以为其中LiPON或Ta₂O₅被添加有诸如B、S和W等组分的电解质，例如可以是LiBO₂+Li₂SO₄、LiAlF₄、LiNbO₃、Li₂O-B₂O₃等。

优选的，所述器件还包括离子存储层。

进一步的，所述离子存储层与所述电解质接触。

在一些实施方案中，所述第一光学结构层或第二光学结构层还与基底结合。

例如，所述工作电极可以包括基底。

例如，所述对电极可以包括基底、透明导电层和离子存储层。

所述基底的材质可如前文所述，此处不再赘述。

进一步的，所述离子存储层的材质可以选自但不限于NiO、Fe₂O₃、TiO₂、普鲁士蓝、IrO₂等。

在一些实施方案中，所述基底上还设置有导电层。其中，所述导电层包括FTO、ITO、Ag纳米线、Ag纳米网栅、碳纳米管、石墨烯中的任意一种或多种的组合，且不限于此。

在一些实施方案中，所述对电极为透明或半透明的。

本发明实施例还提供了所述器件的制备方法，其包括：

采用前文所述的方法制作第一光学结构层、第二光学结构层及介质层等，形成工作电极；以及，将工作电极、电解质与对电极组装形成器件。

请参阅图2示出了本发明一典型实施方案中一种器件，其包括工作电极5、对电极7及电解质层6，电解质层6设置于工作电极5及对电极7之间。

其中，所述电解质层6可以选用合适的水相电解液，有机相电解液，凝胶电解质或是固体电解质，优选的LiCl、AlCl₃、HCl、H₂SO₄水溶液，LiClO₄的碳酸丙烯酯电解液，LiCl/PVA,H₂SO₄/PVA凝胶电解质等，且不限于此。

再请参阅图3所示，所述工作电极5可以包括光学薄膜结构，所述光学薄膜结构可以包括导电基底10、作为第二光学结构层的金属反射/透射层11和介质层12，而介质层12上方的空气层可以作为第一光学结构层，所述介质层12由电致变色材料组成。优选的，前述第二光学结构层的厚度大于0而小于20nm。

其中，参阅前文内容，通过调整金属反射/透射层、介质层的材质和厚度等，可以改变光学薄膜结构的反射/透射结构色。而且，通过调整施加在电致变色材料上的电压、电流等，还可使介质层的颜色变化。如此，可以实现器件(特别是光学器件)固有的光学结构色和电致变色的融合，更为简单、可控的实现丰富的颜色变化。

本发明实施例的另一个方面还提供了所述器件的调控方法，其包括：

将工作电极、对电极与电源连接形成工作电路；

其中，所述器件的工作电压可以依据实际情况而调整，例如可以是-4V～4V，但不限于此。

在本发明的前述实施方案中，所述器件将多彩的反射/透射结构色与电致变色融合，丰富电致变色器件的颜色调制，实现多彩色的动态调控。具体而言，可以通过调整光学薄膜结构中第一光学结构层、第二光学结构层及介质层等的厚度、材质等得到丰富多彩的结构色。同时，将所述光学薄膜结构用作工作电极，通过施加电压，使介质层中的电致变色材料折射率的变化(可以是因电解质层中的离子插入或脱出电致变色材料而引起)，导致介质层的光学参数改变，带来颜色的改变，最终能实现电致变色的反射/透射双模式和绚丽丰富的颜色调制，将极大促进电致变色技术发展以及其在多个领域的应用。

本发明实施例还提供了所述光学薄膜结构或所述器件的用途，例如在电致变色、光致变色、建筑、汽车、艺术装饰、滤光片、防伪、太阳能电池、显示器、LED屏、通信、传感、照明等领域的应用。

本发明实施例的另一个方面还提供了一种装置，其包括所述的器件。

优选的，所述装置还包括电源，所述电源能与所述器件电连接形成工作回路。

在一些实施方案中，所述的装置还可包括附加的封装结构、控制模块、电源模块等组件，这些附件组件可以常规方式与所述光学薄膜结构结合。

所述装置包括但不限于机械设备、光电设备、电子设备、建筑物、交通工具以及户外广告牌等，且不限于此。

以下通过若干实施例并结合附图进一步详细说明本发明的技术方案。然而，所选的实施例仅用于说明本发明，而不限制本发明的范围。

实施例1：

该实施例提供的一种光学薄膜结构包括第一光学结构层、第二光学结构层、介质层和基底层，其可以参阅图1所示。

其中，第一光学结构层为空气，第二光学结构为金属钨(W)层，介质层由氧化钨形成，而基底层可以是PET膜。

该光学薄膜结构的制备方法如下：在干净的PET衬底上，先通过磁控溅射方法溅射一层钨膜，优选的，钨膜的厚度选择溅射为约10nm。之后在钨膜上再通过磁控溅射溅射一层氧化钨层。优选的，氧化钨层的厚度设置在100nm～400nm。

当然，前述的钨膜也可以采用电子束蒸发、热蒸发等业界已知的方式制备。前述的氧化钨层可以采用电子束蒸发、热蒸发、电化学沉积、溶胶凝胶技术等业界已知的方式制备。参阅图3所示，控制氧化钨层的厚度不同，从第一光学结构层一侧方向看，可以得到反射丰富绚丽颜色的光学薄膜结构。

参阅图4所示，不同氧化钨厚度下(图3中)，从基底层方向看，其对应反射颜色也呈现丰富绚丽的颜色，且这种颜色与从第一光学结构层方向看得到的颜色截然不同。

参阅图5所示，图3所示不同氧化钨厚度下，透过本实施例光学薄膜结构，可以得到透射结构色，所述的透射结构色同样呈现出丰富绚丽的颜色。因此，本实施例光学薄膜结构的透射颜色的透过率由金属钨层和氧化钨层厚度决定。

对照例1：

该对照例提供的一种光学薄膜结构包括第一光学结构层、第二光学结构层、介质层和基底层。

其中，第一光学结构层为空气，第二光学结构不存在(无钨膜)，介质层由氧化钨形成，而基底层可以是PET膜。

该光学薄膜结构的制备方法如下：在干净的PET衬底上，通过磁控溅射溅射一层氧化钨层，优选的，氧化钨层的厚度设置在100nm～400nm。

控制氧化钨层的厚度不同，从第一光学结构层一侧方向看，得到的是透明无颜色的光学薄膜结构。

不同氧化钨厚度下，从基底层方向看，其对应颜色也为透明无颜色，且这种颜色与从第一光学结构层方向看得到的颜色完全相同。

不同氧化钨厚度下，透过本对照例光学薄膜结构，得到的仍是透明无颜色的光学薄膜结构。对照例2：

该光学薄膜结构的制备方法如下：在干净的PET衬底上，先通过磁控溅射方法溅射一层钨膜，优选的，钨膜的厚度选择溅射为约100nm。之后在钨膜上再通过磁控溅射溅射一层氧化钨层，优选的，氧化钨层的厚度设置在100nm～400nm。

当然，前述的钨膜也可以采用电子束蒸发、热蒸发等业界已知的方式制备。前述的氧化钨层可以采用电子束蒸发、热蒸发、电化学沉积、溶胶凝胶技术等业界已知的方式制备。控制氧化钨层的厚度不同，从第一光学结构层一侧方向看，可以得到反射丰富绚丽颜色的光学薄膜结构。

不同氧化钨厚度下，从基底层方向看，其对应反射颜色仅呈现出金属钨膜的颜色(银白色)。

不同氧化钨厚度下，透过本对照例光学薄膜结构，发现无透过性。

实施例2：

其中，第一光学结构层为空气，第二光学结构为金属银(Ag)层，介质层由二氧化钛形成，而基底层可以是PET膜。

该光学薄膜结构的制备方法如下：在干净的PET衬底上，先通过磁控溅射方法溅射一层银膜，优选的，银膜的厚度选择溅射为约2nm。之后在钨膜上再通过磁控溅射溅射一层二氧化钛层，优选的，二氧化钛层的厚度设置在100nm～400nm。

当然，前述的银膜也可以采用电子束蒸发、热蒸发等业界已知的方式制备。前述的二氧化钛层可以采用电子束蒸发、热蒸发、电化学沉积、溶胶凝胶技术等业界已知的方式制备。本实施例光学薄膜结构展示出与实施例1光学薄膜结构类似的性质，即，从两侧面观察，呈现出不同的颜色。另外还具有透射结构色。

实施例3：

该实施例提供的一种光学薄膜结构包括依次在基底上形成的第一介质层、第二光学结构层、第二介质层、第一光学结构层。

其中，增加的第二介质层可提高颜色亮度与饱和度。

参见图6所示，所述光学薄膜结构的第一光学结构层为空气，第二光学结构层为金属钨(W)，第一、第二介质层由氧化钨形成，而基底层可以是PET膜。

该光学薄膜结构的制备方法如下：在干净的PET衬底上，先通过磁控溅射方法溅射一层氧化钨层，优选的，氧化钨层的厚度设置在1nm～400nm。然后再通过磁控溅射方法溅射一层钨膜，优选的，钨膜的厚度为约10nm。之后在钨膜上再通过磁控溅射溅射一层氧化钨层，优选的，氧化钨层的厚度设置在100nm～400nm。

当然，前述的钨膜也可以采用电子束蒸发、热蒸发等业界已知的方式制备。前述的氧化钨层可以采用电子束蒸发、热蒸发、电化学沉积、溶胶凝胶技术等业界已知的方式制备。参阅图7所示，控制钨层和PET基底之间的氧化钨层的厚度不同，从第一光学结构层一侧方向看，可以得到反射丰富绚丽颜色的光学薄膜结构。

参阅图8所示，在图7所示的不同氧化钨厚度下，从基底层一侧方向看，其对应反射颜色也呈现丰富绚丽的颜色，且这种颜色与从薄膜方向看得到的颜色截然不同。

再请参阅图9所示，在图7所示的不同氧化钨厚度下，透过所述光学薄膜结构，可以得到透射结构色，所述的透射结构色同样呈现出丰富绚丽的颜色，所述光学薄膜结构的透射颜色的透过率由金属钨层和氧化钨层厚度决定。

实施例4：

该实施例提供的一种光学薄膜结构包括依次在基底上形成的第二光学结构层、介质层、第一光学结构层。

其中，第一光学结构层为金属钨(W)膜，第二光学结构层为金属铝(Al)膜，介质层由硫化锌(ZnS)形成，而基底层可以是PET膜。

该光学薄膜结构的制备方法如下：在干净的PET衬底上，先通过磁控溅射方法溅射一层金属铝膜，优选的，铝膜的厚度设置在15nm。然后再通过磁控溅射方法溅射一层硫化锌层，优选的，硫化锌的厚度选择溅射为100nm～400nm。之后在硫化锌层上再通过磁控溅射溅射一层钨膜层，优选的，钨膜层的厚度设置在0～50nm。

当然，前述的钨膜和铝膜也可以采用电子束蒸发、热蒸发等业界已知的方式制备。前述的硫化锌层可以采用电子束蒸发、热蒸发、电化学沉积、溶胶凝胶技术等业界已知的方式制备。

本实施例光学薄膜结构从两侧面观察会呈现出不同的颜色，另外还具有透射结构色。

实施例5：

其中，第一光学结构层为空气，第二光学结构层为金属铝(Al)膜，介质层由硅单质形成，而基底层可以是PET膜。

该光学薄膜结构的制备方法如下：在干净的PET衬底上，先通过磁控溅射方法溅射一层金属铝膜，优选的，铝膜的厚度设置在5nm。然后再通过磁控溅射方法沉积一层硅膜层，优选的，硅膜层的厚度选择溅射为100nm～400nm。

当然，前述的铝膜和硅膜也可以采用电子束蒸发、热蒸发等业界已知的方式制备。本实施例光学薄膜结构从两侧面观察会呈现出不同的颜色，另外还具有透射结构色。

实施例6：

其中，第一光学结构层为金属银(Ag)膜，第二光学结构层为金属铝(Al)膜，介质层由普鲁士蓝形成，而基底层可以是PET/ITO膜。

该光学薄膜结构的制备方法如下：在干净的PET/ITO衬底上，先通过磁控溅射方法溅射一层金属铝膜，优选的，铝膜的厚度设置在10nm。然后再通过电沉积方法沉积一层普鲁士蓝层，优选的，普鲁士蓝的厚度选择为100nm～2000nm。之后在普鲁士蓝层上再通过磁控溅射溅射一层银膜层，优选的，银膜层的厚度设置在0～50nm。

当然，前述的银膜和铝膜也可以采用电子束蒸发、热蒸发等业界已知的方式制备。前述的普鲁士蓝层可以采用电化学沉积、溶胶凝胶技术等业界已知的方式制备。

实施例7：

本实施例提供了一种器件，其可以被认为是一种反射/透射双模式多彩电致变色器件，包括工作电极、电解质层和对电极，电解质层设于工作电极和对电极之间。

参见图12所示，该工作电极包括设置在导电基底上的光学薄膜结构，该光学薄膜结构包括第一、二光学结构层和介质层，其中空气作为第一光学结构层，第二光学结构层由金属钨(W)形成，介质层由氧化钨形成。而基底可以是PET/ITO等。

该工作电极的其制备方法如下：在干净的PET/ITO膜上，先通过磁控溅射方法溅射一层钨膜，优选的，钨膜的厚度选择溅射为约10nm。之后在钨膜上再磁控溅射溅射一层氧化钨层，优选的，氧化钨层的厚度设置为100nm～400nm。

当然，前述的钨膜也可以采用电子束蒸发、热蒸发等业界已知的方式制备。前述的氧化钨层可以采用电子束蒸发、热蒸发、电化学沉积等业界已知的方式制备。

本实施例的工作电极从两侧面观察会呈现出不同的颜色，另外还具有透射结构色。

再将前述的工作电极与一对电极(例如NiO对电极)配合，并在两者之间封装AlCl₃电解液，之后引出导线，即可制备出本实施例的多彩电致变色器件。通过向该多彩电致变色器件加载电压，还可对工作电极的颜色进行进一步调制，使其在更多种颜色之间变换，特别是工作电极两侧的颜色变化还不完全相同，具体参见图13所示。

实施例8：

本实施例提供了一种光学器件，其可以被认为是一种反射/透射双模式多彩电致变色器件，包括工作电极、电解质层和对电极，电解质层设于工作电极和对电极之间。

该工作电极包括设置在导电基底上的光学薄膜结构，该光学薄膜结构包括第一、二光学结构层和介质层，其中第一光学结构层由金属钨(W)形成，第二光学结构层由金属银(Ag)形成，介质层由二氧化钛(TiO₂)形成。而基底可以是PET/AgNWs。

该工作电极的其制备方法如下：在干净的PET/AgNWs膜上，先通过磁控溅射方法溅射一层银膜，优选的，银膜的厚度选择溅射为约10nm。之后在银膜上再磁控溅射溅射一层氧化钛层，优选的，二氧化钛层的厚度设置为100nm～400nm。然后在二氧化钛层上再磁控溅射溅射一层钨膜，优选的，钨膜的厚度选择溅射为约5nm。

该光学器件可以参阅实施例7的方式组装形成。

当然，前述的银膜和钨膜也可以采用电子束蒸发、热蒸发等业界已知的方式制备。前述的氧化钛层可以采用电子束蒸发、热蒸发、电化学沉积等业界已知的方式制备。

再将前述的工作电极与一对电极(例如NiO对电极)配合，并在两者之间设置LiCl/PVA凝胶电解质，之后引出导线，即可制备出本实施例的多彩电致变色器件。通过向该多彩电致变色器件加载电压，通过调整电压范围，还可对工作电极的颜色进行进一步调制，使其在更多种颜色之间变换，特别是工作电极两侧的颜色变化还不完全相同。本实施例的多彩电致变色器件加载电压导致颜色变化展示出与实施例7颜色变化类似的性质。

实施例9：

该工作电极包括设置在导电基底上的光学薄膜结构，该光学薄膜结构包括第一、二光学结构层和介质层，其中第一光学结构层为空气，第二光学结构为金属铜(Cu)层，介质层由氧化钒(V₂O₅)形成，而基底层可以是PET/ITO。

该光学薄膜结构的制备方法如下：在干净的PET衬底上，先通过磁控溅射方法溅射一层铜膜，优选的，铜膜的厚度选择溅射为约15nm。之后在铜膜上再通过磁控溅射溅射一层氧化钒层，优选的，氧化钒层的厚度设置在100nm～400nm。

当然，前述的铜膜也可以采用电子束蒸发、热蒸发等业界已知的方式制备。前述的氧化钒层可以采用电子束蒸发、热蒸发、电化学沉积、溶胶凝胶技术等业界已知的方式制备。本实施例的工作电极从两侧面观察会呈现出不同的颜色，另外还具有透射结构色。

该光学器件可以参阅实施例7的方式组装形成。

再将前述的工作电极与一对电极(例如NiO对电极)配合，并在两者之间设置LiCl/HCl/AlCl₃/NaCl/PVA混合离子凝胶电解质。通过向该多彩电致变色器件加载电压，通过调整电压范围，还可对工作电极的颜色进行进一步调制，使其在更多种颜色之间变换，特别是工作电极两侧的颜色变化还不完全相同。本实施例的多彩电致变色器件加载电压导致颜色变化展示出与实施例7颜色变化类似的性质。

实施例10：

该工作电极包括设置在导电基底上的光学薄膜结构，该光学薄膜结构包括第一、二光学结构层和介质层，其中空气作为第一光学结构层，第二光学结构层由金属钨(W)形成，介质层由氧化钨(WO₃)形成。而基底可以是PET/ITO。

该工作电极的其制备方法如下：在干净的PET/ITO膜上，先通过磁控溅射方法溅射一层银膜，优选的，钨膜的厚度选择溅射为约10nm。之后在银膜上再磁控溅射溅射一层氧化钨层，优选的，氧化钨层的厚度设置为100nm～400nm。

在前述的工作电极上通过磁控溅射方法溅射一层钛酸镧锂薄膜作为固态电解质，优选的钛酸镧锂薄膜的厚度为500nm。

再将该工作电极及固态电解质与一对电极(例如IrO₂对电极)配合，之后引出导线，即可制备出本实施例的多彩电致变色器件。通过向该多彩电致变色器件加载电压，还可对工作电极的颜色进行进一步调制，使其在更多种颜色之间变换，特别是工作电极两侧的颜色变化还不完全相同。本实施例的多彩电致变色器件加载电压导致颜色变化展示出与实施例7颜色变化类似的性质。

此外，本申请的发明人还以本说明书列出的其他介质材料、金属反射材料、基底材料等替代前述实施例中的相应材料进行了试验，发现所获的光学薄膜结构均具有相似的优点。应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种光学薄膜结构，其特征在于包括平行设置的第一光学结构层和第二光学结构层，所述第一光学结构层、第二光学结构层是光学反射性和/或光学透射性的，所述第一光学结构层和第二光学结构层之间设置有介质层，所述介质层与第一光学结构层、第二光学结构层的结合界面分别为所述介质层的第一表面、第二表面，所述第一表面、第二表面与介质层组成光学腔；在入射光从第一光学结构层或第二光学结构层入射所述光学腔时，于所述第一表面形成的反射光和于所述第二表面形成的反射光的相移

d为所述介质层的厚度，

为所述介质层的折射率，λ为所述入射光的波长，

为所述入射光在透过所述第一表面或第二表面时的折射角。

2.根据权利要求1所述的光学薄膜结构，其特征在于：若定义所述第一光学结构层的折射率为

则所述第一表面的反射系数

其中

为入射光于第一表面的入射角；

和/或，若定义所述第二光学结构层的折射率为

则所述第二表面的反射系数

其中

为入射光在透过第二表面时的折射角。

3.根据权利要求2所述的光学薄膜结构，其特征在于，所述光学薄膜结构的反射系数表示为：

反射率表示为：

4.根据权利要求1-3中任一项所述的光学薄膜结构，其特征在于：

若定义所述第一光学结构层的折射率为

则所述第一光学结构层的透射系数

其中

为入射光于第一表面的入射角；

和/或，若定义所述第二光学结构层的折射率为

则所述第二光学结构层的透射系数

其中

为入射光在透过第二表面时的折射角。

5.根据权利要求4所述的光学薄膜结构，其特征在于，所述光学薄膜结构的透射系数表示为：

透过率表示为：

6.根据权利要求1所述的光学薄膜结构，其特征在于：所述光学薄膜结构具有光学透射工作模式、光学反射工作模式或者光学透射及反射工作模式；优选的，在所述光学反射工作模式下，所述光学薄膜结构具有双面不对称结构色，而在所述光学透射工作模式下，所述光学薄膜结构具有透明结构色。

7.根据权利要求1所述的光学薄膜结构，其特征在于：第一光学结构层、第二光学结构层中的任一者为金属层，另一者由气体组成，所述气体包括空气；或者，第一光学结构层、第二光学结构层均为金属层。

8.根据权利要求1所述的光学薄膜结构，其特征在于：所述光学薄膜结构包括一个或多个第一光学结构层、一个或多个介质层和一个或多个第二光学结构层。

9.根据权利要求8所述的光学薄膜结构，其特征在于：所述光学薄膜结构包括多个第一光学结构层和/或多个第二光学结构层以及多个介质层。

10.根据权利要求1所述的光学薄膜结构，其特征在于：所述第一光学结构层和第二光学结构层中至少一者的材质包括金属材料；优选的，所述金属材料包括钨，金，银，铜，钛，铝，铬，铁，钴，镍，铂，锗，钯中的任意一种或多种的组合；和/或，所述第一光学结构层和第二光学结构层中至少一者的厚度为0～20nm。

11.根据权利要求1所述的光学薄膜结构，其特征在于：

所述介质层的材质选自有机材料或无机材料；

优选的，所述无机材料包括金属单质或非金属单质、无机盐、氧化物中任意一种或多种的组合；

更有选的，所述非金属单质包括单晶硅、多晶硅、金刚石中任意一种或多种的组合；

更优选的，所述无机盐包括氟化物、硫化物、硒化物、氯化物、溴化物、碘化物、砷化物或碲化物中任意一种或多种的组合；

更优选的，所述氧化物包括WO₃、NiO、TiO₂、Nb₂O₅、Fe₂O₃、V₂O₅、Co₂O₃、Y₂O₃、Cr₂O₃、MoO₃、Al₂O₃、SiO₂、MgO、ZnO、MnO₂、CaO、ZrO₂、Ta₂O₅、Y₃Al₅O₁₂、Er₂O₃、IrO₂中任意一种或多种的组合；

更优选的，所述氟化物包括MgF₂、CaF₂、GeF₂、YbF₃、YF₃、Na₃AlF₆、AlF₃、NdF₃、LaF₃、LiF、NaF、BaF₂、SrF₂中任意一种或多种的组合；

更优选的，所述硫化物包括ZnS、GeS、MoS₂、Bi₂S₃中任意一种或多种的组合；

更优选的，所述硒化物包括ZnSe，GeSe、MoSe₂、PbSe、Ag₂Se中任意一种或多种的组合；

更优选的，所述氯化物包括AgCl、NaCl、KCl中任意一种或多种的组合；

更优选的，所述溴化物包括AgBr、NaBr、KBr、TlBr、CsBr中任意一种或多种的组合；

更优选的，所述碘化物包括AgI、NaI、KI、RbI、CsI中任意一种或多种的组合；

更优选的，所述砷化物包括GaAs；

更优选的，所述锑化物包括GdTe；

优选的，所述介质层的材质包括SrTiO₃、Ba₃Ta₄O₁₅、Bi₄Ti₃O₂、CaCO₃、CaWO₄、CaMnO₄、LiNbO₄、普鲁士蓝、普鲁士黑、普鲁士白、普鲁士绿中任意一种或多种的组合；

优选的，所述介质层的材质包括液晶材料或MOF材料；

优选的，所述有机材料包括有机小分子化合物和/或聚合物；

更优选的，所述有机材料包括紫罗精、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚咔唑、酞菁、对苯二甲脂、二甲基联二苯胺、四噻富烯、烷基联吡啶、吩噻唑、聚酰胺、环氧树脂、聚二炔中任意一种或多种的组合；

和/或，所述介质层厚度为大于0而小于或等于2000nm，优选为100～500nm；

更优选的，所述介质层的材质选自无机电致变色材料和/或有机电致变色材料。

12.根据权利要求1所述的光学薄膜结构，其特征在于：

所述介质层与第一光学结构层或第二光学结构层之间还分布有优化介质层；

或者，所述第一光学结构层或第二光学结构层上设有优化介质层；

优选的，所述优化介质层的材质包括WO₃、NiO、TiO₂、Nb₂O₅、Fe₂O₃、V₂O₅、Co₂O₃、Y₂O₃、Cr₂O₃、MoO₃、Al₂O₃、SiO₂、MgO、ZnO、MnO₂、CaO、ZrO₂、Ta₂O₅、Y₃Al₅O₁₂、Er₂O₃、ZnS、MgF₂、氮化硅中的任意一种或多种的组合；

优选的，所述优化介质层的厚度为0～2000nm。

13.根据权利要求1所述的光学薄膜结构，其特征在于：所述第一光学结构层或第二光学结构层还与基底结合；优选的，所述基底为透明或半透明的；更优选的，所述基底包括的材质包括玻璃、有机玻璃、PET、PES、PEN、PC、PMMA、PDMS中的任意一种或多种的组合。

14.一种器件，包括相互配合的工作电极及对电极，其特征在于：所述工作电极包括权利要求1-14中任一项所述的光学薄膜结构，所述光学薄膜结构内的介质层主要由电致变色材料组成。

15.根据权利要求14的器件，其特征在于：

所述器件还包括电解质，所述电解质分布于所述工作电极与对电极之间；优选的，所述电解质包括液态电解质、凝胶电解质或固态电解质；

优选的，所述器件还包括离子存储层，所述离子存储层与所述电解质接触；

优选的，所述第一光学结构层或第二光学结构层还与基底结合；优选的，所述基底为透明或半透明的；更优选的，所述基底包括的材质包括玻璃、有机玻璃、PET、PES、PEN、PC、PMMA、PDMS中的任意一种或多种的组合；更优选的，所述基底上还设置有导电层；优选的，所述导电层包括FTO、ITO、Ag纳米线、Ag纳米网栅、碳纳米管、石墨烯中的任意一种或多种的组合；和/或，所述对电极为透明或半透明的。

16.如权利要求14-15中任一项所述器件的调控方法，其特征在于包括：

将工作电极、对电极与电源连接形成工作电路；

17.一种装置，其特征在于包括权利要求14-15中任一项所述的器件；优选的，所述装置还包括电源，所述电源能与所述器件电连接形成工作回路。