CN114660682A - 一种防伪结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及结构色超表面技术和显示技术领域，尤其涉及一种防伪结构及其制备方法，该防伪结构包括：单层衬底或者双层衬底；位于单层衬底或者双层衬底上秤阵列排布的手性结构，阵列排布的周期为：在x方向和y方向上的排布周期均为500nm～900nm；在采用交叉偏振观测时，可观测到肉眼观测不到的防伪信息，该防伪信息为手性结构按照不同的排布周期所形成的，通过周期排布的手性结构来记载防伪信息，进而在交叉偏振观测下看到肉眼看不到的防伪信息，实现了结构色的防伪效果。
Description
技术领域
本发明涉及结构色超表面技术和显示技术领域，尤其涉及一种防伪结构及其制备方法。
背景技术
在日常生活中，颜色是人们重要的视觉载体，是人们认识和感受世界的重要渠道。颜色产生机制主要分为两类：化学色(色素、有机染料和化学颜料)和结构色。人类最早是通过开发天然染料和颜料来创造颜色。最近由于增强虚拟现实的迅速普及，对微型显示器的需求急剧增加。因此，用亚波长光学谐振器组成的像素来产生颜色和图像引起了人们极大的兴趣，因为与常规颜料相比，这种像素可以极大地改善空间分辨率和颜色鲜艳度。此外，天然颜料无法承受持续高强度或高温照明等极端环境，而且从循环利用的角度来看，颜料污染环境而且价格昂贵。比如，油画颜料中使用的颜色“骨螺紫”是从海螺的腺体中提取出来的，生产成本很高；再比如“群青”，对应着一种鲜艳的蓝色，其价格超过黄金。现代开发的合成染料成本较低，可以取代其中一些天然染料，但是含有可能威胁环境和人类健康的有毒化合物。
在探索大自然的过程中，人们发现，Morpho sulkowskyi蝴蝶迷人的蓝色来源于光的衍射和散射，这是由于其内在鳞片的有序纳米结构造成的，这种微观结构与可见光相互作用而产生的颜色通常称为结构色，动物利用它来保护和警告。同时，人们发现变色龙的颜色改变是因为其体表的光子晶体导致的动态颜色。这种产生颜色的方法启发了人们制造可以人为调控的产生结构色的亚波长光学谐振器，结构色的研究从生物学扩展到微纳光学领域。与染料相比，结构色的一个主要优势是超高的分辨率，可达100000像素每英寸(DPI)。结构色的另外一个优势是可以通过简单地调整微纳结构参数来产生不同的颜色，这样就可以在同一个平台上使用同样的材料显示全部可见颜色，这大大促进了可制造性和可回收性。因此结构色作为颜料的替代品最近引起了相当大的关注。
随着制造技术的飞速进步，人们已经具备了制备纳米结构的能力。例如人们已经成功制备了超材料(Metamaterials)，它是由亚波长微纳结构阵列(如“超原子”)组成的具有定制电磁响应的人工材料，为解决天然材料中缺乏磁响应而导致的阻抗失配问题等重大挑战提供了可能。其中二维超材料在电磁波的控制方面，对光的调控更具优势。二维超材料即超表面是由具有特定排列顺序的选择性电磁响应的平面超原子构成的，这种器件通常很薄、平坦、易于制造，并且可以极大的降低光传输的损耗。
微纳加工技术的日益成熟，使人们能够成功制作产生结构色的微纳结构，目前结构色的研究已经成为一个热点领域。结构色作为有机染料和化学颜料的替代品，在未来的生活中，结构色将有机会走进人们美好的生活。
如何利用结构色实现防伪是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的防伪结构及其制备方法。
第一方面，本发明还提供了一种防伪结构，包括：
单层衬底或者双层衬底；
位于所述单层衬底或者双层衬底上呈阵列排布的手性结构，所述阵列排布的周期为：在x方向和y方向上的排布周期均为500nm～900nm；
在采用交叉偏振观测时，可观测到肉眼观测不到的防伪信息，所述防伪信息为所述手性结构按照不同的排布周期所形成的。
进一步地，所述手性结构具体采用满足预设折射率的介质材料，所述满足预设折射率的介质材料为二氧化钛、氧化铬、氧化铟锡、氮化硅、氧化锆中的任意一种。
进一步地，所述手性结构呈周期排布晶格，所述周期排布晶格为四方晶格或者六角晶格。
进一步地，所述手性结构具体为卍字型或者Z字型。
进一步地，单个手性结构的高度为50nm～600nm、沿y方向的长度为300nm～600nm、宽度为100nm～300nm。
进一步地，所述单层衬底为：
二氧化硅衬底；
所述双层衬底包括：
由下至上的二氧化硅层、ITO层。
进一步地，所述ITO层为0～100nm。
进一步地，所述手性结构中的每个手性结构可饶中心点旋转，以呈现不同亮度的颜色。
进一步地，所述单个手性结构饶中心点旋转的角度为0～360°。
第二方面，本发明还提供了一种防伪结构的制备方法，包括：
提供一单层衬底或者双层衬底；
在所述单层衬底或所述双层衬底上旋涂PMMA胶；
在所述PMMA胶上刻蚀形成手性结构的图形结构，所述图形结构呈阵列排布，所述阵列排布的周期为在x方向和y方向上均为500nm～900nm；
在所述图形结构内形成手性结构；
除去多余的手性结构和剩余的PMMA胶。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提供了一种防伪结构，该防伪结构包括：单层衬底或者双层衬底；位于单层衬底或者双层衬底上秤阵列排布的手性结构，阵列排布的周期为：在x方向和y方向上的排布周期均为500nm～900nm；在采用交叉偏振观测时，可观测到肉眼观测不到的防伪信息，该防伪信息为手性结构按照不同的排布周期所形成的，通过周期排布的手性结构来记载防伪信息，进而在交叉偏振观测下看到肉眼看不到的防伪信息，实现了结构色的防伪效果。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考图形表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本发明实施例中防伪结构的俯视图；
图2a、图2b示出了本发明实施例中防伪结构的剖面图；
图3示出了本发明实施例中卍字型的手性结构的结构示意图；
图4示出了本发明实施例中呈六角晶格排布的手性结构的示意图；
图5示出了本发明实施例中经过预设旋转角度之后的周期性排布的手性结构的示意图；
图6a、图6b示出了本发明实施例中实现结构色防伪的纳米结构阵列的反射谱的示意图；
图7示出了本发明实施例中防伪结构的制备方法的步骤流程示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例一
本发明的实施例提供了一种防伪结构，如图1、图2a和图2b所示，包括：
单层衬底101或者双层衬底102；
位于单层衬底101或者双层衬底102上呈阵列排布的手性结构103，该阵列排布的周期为：在x方向和y方向上的排布周期均为500nm～900nm；
在采用交叉偏振观测时，可观测到肉眼观测不到的防伪信息，该防伪信息为手性结构按照不同的排布周期所形成的。
比如，肉眼观测得到一种颜色，采用交叉偏振观测时，可观测到两种或者更多的颜色。
该手性结构是一种没有对称中心、对称面的结构，正是由于该手性结构是一种没有对称中心，对称面的结构，没有空间反演中心，无法通过旋转或者平移来与镜像的结构进行重合，进而为结构色的设计提供了更多的自由度，而手性结构有各项异性及偏振转换能力。能够应用在太赫兹波段，因此，采用交叉偏振观测方式时，在该手性结构的作用下，实现更好的偏振转换能力，进而实现更加鲜艳的结构色显示，在实现结构色的动态调控下，可以实现防伪功能。
该防伪结构的衬底有两种，一种是单层衬底，具体为二氧化硅衬底，另一种是双层衬底，包括由下至上的二氧化硅衬底、ITO层。该ITO层是氧化铟锡层。该ITO层的厚度为0～100nm，其中，不包括0nm。
接下来对手性结构进行描述，该手性结构具体采用纳米结构，材料采用满足预设折射率的介质材料，该预设折射率可以是大于1.8的折射率，比如，可以是二氧化钛、氧化铬、氧化铟锡、氮化硅、氧化锆中的任意一种，在采用二氧化钛时，该二氧化钛的可见光波段的折射率为2.3～2.7。
该二氧化钛材料对光的吸收损耗较低，在光波段具有透明特性，因此，对光的损耗可忽略不计。
该手性结构具体为卍字型或者Z字型。如图1所示为呈Z子型的手性结构，具体是该卍字型的一半结构，如图3所示的卍字型的手性结构。
同理，该卍字型还可以衍生出卐字型。
该卍字型具体是包括呈十字型结构以及位于十字型结构的突出部位端均朝向一个方向的垂直结构，该垂直结构的排布方向均与十字型结构的方向垂直，在垂直结构均朝向逆时针方向时，则为卍字型，在垂直结构均朝向顺时针方向时，则为卐字型。
该手性结构呈周期排布晶格，该周期排布晶格为四方晶格或者六角晶格，在以Z字型的手性结构为例时，具体如图1所示的四方晶格，如图4所示的六角晶格。
单个手性结构的高度为50nm～600nm，沿y方向的长度L为300nm～600nm、沿y方向的宽度W为100nm～300nm，具体如图1所示的标注。
在本发明中，利用单个手性结构(纳米结构)的米氏共振以及阵列排布的手性结构的晶格共振的耦合作用，在可见光范围内产生有效共振，从而产生结构色。
该手性结构中的每个手性结构可饶中心点旋转，以呈现不同亮度的颜色，而且，单个手性结构饶中心点旋转的角度为0～360°。
如图5所示，为经过预设旋转角度之后的周期性排布的手性结构。
为了实现防伪功能，具体如图6a和图6b所示，为实现结构色防伪的纳米结构阵列的反射谱，其中，图6a为无偏振条件下的反射谱，图6b为交叉偏振条件下的反射谱。其中，在图6a中标号为F1的线为周期是600nm的阵列反射谱，标号为F2的线为周期是630nm的阵列反射谱。对应的，在图6b中标号为F3的线为周期是600nm的阵列反射谱，标号为F4的线为周期是630nm的阵列反射谱。
由此可以看出，在增大周期时，无偏振条件下的反射谱反射率较低且没有明显的共振尖峰，颜色变化很不明显，肉眼几乎识别不出，而在结构经过偏振转换后的交叉偏振情况下的反射谱具有明显的共振尖峰的红移，从而产生更鲜艳且更明显的颜色变化，肉眼可识别。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提供了一种防伪结构，该防伪结构包括：单层衬底或者双层衬底；位于单层衬底或者双层衬底上秤阵列排布的手性结构，阵列排布的周期为：在x方向和y方向上的排布周期均为500nm～900nm；在采用交叉偏振观测时，可观测到肉眼观测不到的防伪信息，该防伪信息为手性结构按照不同的排布周期所形成的，通过周期排布的手性结构来记载防伪信息，进而在交叉偏振观测下看到肉眼看不到的防伪信息，实现了结构色的防伪效果。
实施例二
基于相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种防伪结构的制备方法，如图7所示，包括：
S701，提供一单层衬底或者双层衬底；
S702，在单层衬底或双层衬底上旋涂PMMA胶；
S703，在PMMA胶上刻蚀形成手性结构的图形结构，该图形结构呈阵列排布，阵列排布的周期为在x方向和y方向上均为500nm～900nm；
S704，在图形结构内形成手性结构；
S705，去除位于PMMA胶上的多余的手性结构和剩余的PMMA胶。
下面对形成该防伪结构的步骤进行详细描述。
首先，提供一单层衬底，或者双层衬底。该单层衬底为二氧化硅衬底，该双层衬底包括：由下至上的二氧化硅层和ITO层。
在形成双层衬底时，具体是在二氧化硅层上磁控溅射ITO层。该ITO层的厚度为0～100nm。
接下来，在该单层衬底或者双层衬底上旋涂PMMA胶。
其中对于单层衬底，具体是在二氧化硅衬底上旋涂PMMA胶，或者在双层衬底时，是在ITO层上旋涂PMMA胶。
该PMMA胶具体是一种电子束胶，是一种聚合物，由单体(MMA)聚合而成，聚合体俗称有机玻璃或亚克力，具有高透明度，通常被使用作为玻璃的替代材料。
旋涂PMMA时，通过电子束曝光，电子束电压100Kv，电流200pA，电子剂量900μC/cm2。
然后，在电子束光刻胶上曝光手性结构的图形结构。该图形结构呈阵列排布，该阵列排布的周期为在x方向和y方向上均为500nm～900nm。
然后，在图形结构内形成手性结构，具体是采用原子层沉积的方法，将电子束光刻曝光显影形成的PMMA胶的空洞填满。
该手性结构的介质材料覆盖在PMMA胶层的上方，因此，将该介质材料可以采用感应耦合等离子刻蚀的方法，刻蚀介质材料，刻蚀使用的工艺气体是3sccm氩气，10sccm六氟化硫，工作气压800Pa，功率300W，刻蚀50s。
对于PMMA胶，可以采用湿法去除的方式进行去除，并剥离图形区域以外的Cr，然后，使用的溶液依次是丙酮、无水乙醇、去离子水，最后用N2吹干。最后，通过干法刻蚀的方法，将PMMA胶去除。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种防伪结构，其特征在于，包括：
单层衬底或者双层衬底；
位于所述单层衬底或者双层衬底上呈阵列排布的手性结构，所述阵列排布的周期为：在x方向和y方向上的排布周期均为500nm～900nm；
在采用交叉偏振观测时，可观测到肉眼观测不到的防伪信息，所述防伪信息为所述手性结构按照不同的排布周期所形成的。
2.如权利要求1所述的防伪结构，其特征在于，所述手性结构具体采用满足预设折射率的介质材料，所述满足预设折射率的介质材料为二氧化钛、氧化铬、氧化铟锡、氮化硅、氧化锆中的任意一种。
3.如权利要求1所述的防伪结构，其特征在于，所述手性结构呈周期排布晶格，所述周期排布晶格为四方晶格或者六角晶格。
4.如权利要求1所述的防伪结构，其特征在于，所述手性结构具体为卍字型或者Z字型。
5.如权利要求1所述的防伪结构，其特征在于，单个手性结构的高度为50nm～600nm、沿y方向的长度为300nm～600nm、宽度为100nm～300nm。
6.如权利要求1所述的防伪结构，其特征在于，所述单层衬底为：
二氧化硅衬底；
所述双层衬底包括：
由下至上的二氧化硅层、ITO层。
7.如权利要求6所述的防伪结构，其特征在于，所述ITO层为0～100nm。
8.如权利要求1所述的防伪结构，其特征在于，所述手性结构中的每个手性结构可饶中心点旋转，以呈现不同亮度的颜色。
9.如权利要求8所述的防伪结构，其特征在于，所述单个手性结构饶中心点旋转的角度为0～360°。
10.一种防伪结构的制备方法，其特征在于，包括：
提供一单层衬底或者双层衬底；
在所述单层衬底或所述双层衬底上旋涂PMMA胶；
在所述PMMA胶上刻蚀形成手性结构的图形结构，所述图形结构呈阵列排布，所述阵列排布的周期为在x方向和y方向上均为500nm～900nm；
在所述图形结构内形成手性结构；
除去多余的手性结构和剩余的PMMA胶。
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2022
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