CN113156564A - 一种具有保护眼睛功能的全色显示超材料的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有保护眼睛功能的全色显示超材料的实现方法，通过将具有宽带吸收特性的金属与介质交替堆叠形成多层薄膜结构，利用多层薄膜结构中两个级联非对称FP腔中的干涉相长在可见光区域形成反射峰并通过调节介质薄膜厚度调节反射峰位置实现宽色域、高饱和度、高亮度的全色显示；同时利用金属的宽带固有吸收和两个级联非对称FP腔中的干涉相消在短波红外区域形成完美吸收从而导致较低的反射或者透射，在颜色显示时起到近红外波段屏蔽的功能，最终防止结构颜色显示时短波红外光线对眼睛的伤害。本发明提出的光学薄膜器件设计原理简单和制备成本低廉，对于进一步扩展超材料的实际应用具有重要意义。

Description

一种具有保护眼睛功能的全色显示超材料的实现方法

技术领域

本发明属于微纳光子学、功能材料和新型光学器件等技术领域，具体涉及一种具有保护眼睛功能的超材料结构色，该超材料由多层交替堆叠的纳米级厚度金属介质薄膜组成，同时展现了两种异常光学特性：第一、超材料展现了宽色域、高饱和、高亮度的结构色；第二、在颜色显示的同时能实现短波红外光线的宽带吸收，使其具有较低的反射或者透射，消除颜色显示时短波红外光线对眼睛的伤害。

背景技术

颜色在自然界中无处不在，丰富的颜色将世界装扮得色散斑斓、多姿多彩。自然界所表现出的颜色都是其自身物质与光相互作用的结果，按照其与光作用的机制，颜色主要分为两类：色素色和结构色。结构色，又称物理色，是指光与微纳结构相互作用而产生的颜色。相比于色素色，结构色由于其独特的成色原理使其拥有不可比拟的优势，如不褪色、环保、高饱和度、高亮度以及颜色的可调控性等。基于以上结构色所拥有的独特优势使其在装饰、显示、防伪等领域具有广泛的应用前景。目前结构色的研究主要集中在以下三个方面：第一、通过对纳米结构的精细设计提高结构色显示的分辨率、色域范围、亮度和饱和度；第二、探究纳米结构色的加工制备技术实现低成本、大面积和规模化生产；第三、利用结构色研发性能优异的功能性器件，如全息彩印防伪标签、可穿戴的智能装备等。在日常生活中，我们对丰富多彩的结构色主要通过人体器官眼睛来感知。目前大部分结构色研究的光谱范围主要集中在人体眼睛所感知的可见光波长390nm～760nm之内，很少关注结构色在近红外区域的光谱特性。然而，研究发现人体眼球中的液体会对波长为760nm～1500nm之间的短波红外光具有较强的吸收作用，如果眼睛长期处于较强的短波红外线照射之下，人体眼球会因吸收较多短波红外线发生反应，从而引发病变，尤其是白内障疾病的产生。因此，如果结构色在显示丰富多彩的颜色同时还能对短波红外光线完美吸收，从而防止短波红外光线进入人体眼睛，这样的结构色将对人体的眼睛起到长期有效的保护作用。

发明内容

本发明旨在提供一种具有保护眼睛功能的结构色超材料的实现方法，该超材料不仅在可见光区域能形成拥有宽色域、高饱和、高亮度的结构色，还能在颜色显示时有效吸收短波红外光线，从而起到保护眼睛的作用。

本发明的技术方案：

一种具有保护眼睛功能的全色显示超材料的实现方法，该全色显示超材料采用多层金属介质交替堆叠薄膜结构设计，包括反射型结构色和透射型结构色；

反射型结构色由6层薄膜和结构基底7组成，具体为第一介质薄膜1、第一金属薄膜2、第二介质薄膜3、第二金属薄膜4、第三介质薄膜5、不透明金属薄膜6以及结构基底7；

透射型结构色由5层薄膜和结构基底7组成，具体为第一介质薄膜1、第一金属薄膜2、第二介质薄膜3、第二金属薄膜4、第三介质薄膜5以及结构基底7；

该全色显示超材料既能有效吸收短波红外(760nm～1500nm)的入射光，防止其进入人体眼睛对其造成不可逆的伤害，同时还能有选择性地反射或者透射可见光区域(390nm～760nm)内某一范围内的入射光，从而使超材料本身显示某一特定颜色。在该超材料设计中，通过改变介质薄膜的厚度实现结构的反射或透射峰在可见光区域大范围调节，形成全色段彩色显示功能。该全色显示超材料中可见光区域(390nm～760nm)的反射峰或透射峰主要来源于两个级联非对称FP腔中的干涉相长，相应的在短波红外(760nm～1500nm)的完美宽带吸收来源于金属薄膜的宽带固有吸收和两个级联非对称FP腔的干涉相消。在反射型结构色中，第一个非对称FP腔由第一金属薄膜2/第二介质薄膜3/第二金属薄膜4三层结构构成和第二个非对称FP腔由第二金属薄膜4/第三介质薄膜5/不透明金属薄膜6三层结构构成；在透射型结构色中，第一个非对称FP腔由第一金属薄膜2/第二介质薄膜3/第二金属薄膜4三层结构构成和第二个非对称FP腔由第二金属薄膜4/第三介质薄膜5/结构基底7三层结构构成。该超材料中多层薄膜堆叠形成的两个FP腔的级联不仅能增加超材料对短波红外的吸收，还能进一步提高超材料本身颜色显示的饱和度和亮度。结构最上层的第一介质薄膜1作为折射率匹配层主要用于增加超材料颜色显示色域宽度和提高颜色显示的亮度和饱和度。

金属薄膜为具有宽带吸收特性的金属材料，例如金属钛(Ti)、金属镍(Ni)、金属铬(Cr)和金属钨(W)等，且厚度范围为5nm～20nm，小于金属的趋附深度，保证部分光被反射、透射和吸收。

介质薄膜既可以是无损耗的介质材料，如二氧化硅(SiO₂)、氮化硅(Si₃N₄)、氟化镁(MgF₂)、氧化铟锡(ITO)和二氧化钛(TiO₂)等，且厚度范围为50nm～250nm。拥有较高折射率的介质薄膜构建的超材料颜色角度容忍性能更好。

不透明金属薄膜6通常厚度较厚且大于100nm。它既可以是钛层、银层、又可以是其它不透明金属。不透明金属薄膜6既用于阻挡入射光透过超材料形成反射型结构色，又用于增强入射光与多层膜结构之间的相互作用。在超材料设计中，去掉不透明金属薄膜6并将超材料直接制备在透明基底上形成透射型结构色。

结构基底7既可以是不可弯曲的平板或其他形状基底，如平板或各种形状的曲面玻璃等，又可以是可弯曲的柔性基底，如PET基底等。

该全色显示超材料可以通过磁控溅射、电子束蒸发或者热蒸发等真空镀膜设备将金属薄膜和介质薄膜交替沉积在目标基底上实现超材料的低成本、大面积和产业化大规模制备，每层薄膜的厚度通过镀膜时间精确控制。

该全色显示超材料可以通过磁控溅射、电子束蒸发或者热蒸发等真空镀膜设备交替沉积在目标基底上实现超材料的低成本、大面积和产业化大规模制备，每层薄膜的厚度通过镀膜时间精准控制。

该全色显示超材料既能有效吸收短波红外(760nm～1500nm)的入射光，防止其进入人体眼睛对其造成不可逆的伤害，同时还能有选择性地反射或者透射可见光区域(390nm～760nm)内某一范围内的入射光，从而使超材料本身显示某一特定颜色。

通过增加薄膜的数量增加超材料对近红外波段(760nm～1500nm)的吸收范围和吸收率，同时减少相应波段入射光的反射或者透射，同时在一定范围内增加薄膜数量可以提高超材料颜色显示的饱和度，基于以上描述设计的超材料在可见光区域(390nm～760nm)的颜色显示色域达到sRGB的120％及以上和Adobe RGB的99％及以上，且在短波红外区域(760nm～1500nm)的平均吸收率高于87％。该全色显示超材料工作的温度范围为0℃～150℃，同时颜色显示和吸收特性的视场角范围可达到60°。

本发明的有益效果：本发明利用金属介质多层薄膜构建的超材料在可见光区域实现了宽色域、高饱和度、高亮度的全色显示，同时消除超材料颜色显示过程中所反射或者透射的短波红外光线对眼睛的伤害。相比于已有的超材料结构色的研究，本发明的创新点主要体现在以下四个方面：第一、在结构色设计的同时首次考虑短波红外光的影响，提出眼睛友好型结构色超材料的概念；第二、利用多层结构形成两个级联的FP腔增加超材料对短波红外的吸收和提高超材料本身颜色显示的饱和度和亮度。第三、清晰阐明了具有保护眼睛功能的超材料结构色超材料的设计原理，同时该超材料具有制备工艺简单、成本低廉的优势；第四、进一步扩展了超材料设计在实际应用中价值，推动功能型超材料的产业化进程。

附图说明

图1为具有保护眼睛功能的结构色超材料的结构示意图。

图2为制备的超材料的扫描电镜图。

图3为不同颜色超材料的光谱图，以及所对应介质薄膜的厚度和显示颜色。图中：1第一层介质薄膜；2第一层金属薄膜；3第二层介质薄膜；4第二层金属薄膜；5第三层介质薄膜；6不透明金属薄膜；7结构基底。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

为了更加清晰地说明本申请方案，下面的实施例中，考虑6层金属介质交替膜构建的反射型结构色。如图1所示，金属薄膜为厚度10nm的金属钛(Ti)层，介质薄膜为氧化铟锡(ITO)，超材料不同颜色对应的不同厚度的介质薄膜且介质薄膜厚度相同，不透明金属薄膜6为厚度150nm的金属钛，结构基底7为0.5mm厚的二氧化硅。以上超材料利用高真空磁控溅射仪交替沉积金属钛和介质氧化铟锡，其中金属薄膜钛采用直接溅射靶和介质薄膜氧化铟锡采用交流溅射靶，通过控制沉积时间精确控制薄膜的厚度。制备的超材料扫描电镜图如图2所示。

图3分别给出了显示不同颜色超材料的光谱图，以及所对应的颜色、介质薄膜的厚度。从图中清晰地看到，不同颜色所对应的光谱在可见光有一个明显的反射峰，不同的颜色所对应的反射峰的位置不同。所有颜色的反射光谱在短波红外(760nm～1500nm)具有较低的反射率，在该波段绝大部分的入射光被超材料所吸收，制备的超材料的颜色具有较宽的色域。

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 (8)

1.一种具有保护眼睛功能的全色显示超材料的实现方法，其特征在于，该全色显示超材料采用多层金属介质交替堆叠薄膜结构设计，包括反射型结构色和透射型结构色；

反射型结构色由6层薄膜和结构基底(7)组成，具体为第一介质薄膜(1)、第一金属薄膜(2)、第二介质薄膜(3)、第二金属薄膜(4)、第三介质薄膜(5)、不透明金属薄膜(6)以及结构基底(7)；其中，第一个非对称FP腔由第一金属薄膜(2)、第二介质薄膜(3)和第二金属薄膜(4)三层结构构成，第二个非对称FP腔由第二金属薄膜(4)、第三介质薄膜(5)和不透明金属薄膜(6)三层结构构成；

透射型结构色由5层薄膜和结构基底(7)组成，具体为第一介质薄膜(1)、第一金属薄膜(2)、第二介质薄膜(3)、第二金属薄膜(4)、第三介质薄膜(5)以及结构基底(7)；其中，第一个非对称FP腔由第一金属薄膜(2)、第二介质薄膜(3)和第二金属薄膜(4)三层结构构成，第二个非对称FP腔由第二金属薄膜(4)、第三介质薄膜(5)和结构基底(7)三层结构构成。

2.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于，所述的金属薄膜为具有宽带吸收特性的金属钛、金属镍、金属铬和金属钨，且厚度范围为5nm～20nm。

3.根据权利要求1或2所述的实现方法，其特征在于，所述的介质薄膜为二氧化硅、氮化硅、氟化镁、氧化铟锡和二氧化钛，且厚度范围为50nm～250nm。

4.根据权利要求1或2所述的实现方法，其特征在于，所述的不透明金属薄膜(6)厚度大于100nm。

5.根据权利要求3所述的实现方法，其特征在于，所述的不透明金属薄膜(6)厚度大于100nm。

6.根据权利要求1、2或5所述的实现方法，其特征在于，所述的全色显示超材料工作的温度范围为0℃～150℃，同时颜色显示和吸收特性的视场角范围达到60°。

7.根据权利要求3所述的实现方法，其特征在于，所述的全色显示超材料工作的温度范围为0℃～150℃，同时颜色显示和吸收特性的视场角范围达到60°。

8.根据权利要求4所述的实现方法，其特征在于，所述的全色显示超材料工作的温度范围为0℃～150℃，同时颜色显示和吸收特性的视场角范围达到60°。

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