[發明專利]基于電場操控下實時精準變色的多層膜

有效

• 申請號: 202010860106.4
• 申請日: 2020-08-24
• 公開（公告）號: CN112130391B
• 公開（公告）日: 2021-11-05
• 發明（設計）人: 張金英;王瑞;李卓;王欣;楊蘇輝
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G02F1/153
• 分類號: G02F1/153;G02F1/163
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 張利萍

本發明涉及一種基于電場操控下實時精準變色的多層膜，屬于變色材料領域。本發明的多層膜包括：襯底、第一透明電極、高低折射率膜層組、第二透明電極；所述高低折射率膜層組由低折射率BST薄膜和高折射率BST薄膜組成；所述第一透明電極與襯底連接；高低折射率膜層組兩側分別與第一透明電極和第二透明電極連接；在電極兩端施加電壓時，薄膜因為折射率變化而帶隙位置改變，從而變色，且能夠實現實時變色；如果撤去電壓，則恢復到未加電壓時的顏色；本發明既可以實現低反射率，大譜寬與自然界中顏色類似的變色，也可以實現高反射率，窄譜寬的鮮亮顏色的變色。

技術領域

本發明涉及一種基于電場操控下實時精準變色的多層膜，屬于變色材料領域。

背景技術

變色材料在軍事和民用方面都有很重要的應用，對于軍事領域，比如坦克在戰場上的隱身偽裝需要變色材料，可以根據所處周圍環境變色以迷惑敵人。對于民用領域，變色材料可以用來裝飾，比如便攜式化妝鏡、室內設計、變色服裝等。還可以用在一些變色顯示器方面。可以利用光子晶體的性質做變色材料。

光子晶體由具有不同介電常數的材料周期性排布而成，能夠對特定波長的光產生全反射，實現對光的操控作用。這種性質用光子能帶理論來描述，即入射光的頻率落入帶隙頻率范圍之內時，光是不能穿過光子晶體的，這種被反射的光就表現為宏觀上的顏色，對于一維光子光子晶體，可以通過改變材料折射率的比值或者材料的厚度來改變光子晶體帶隙的位置，從而可以實現變色。

這種由光子晶體產生的顏色被稱為結構色，相比色素色，結構色具有高亮度，不褪色，穩定等優點。目前使用光子結構色來做變色主要通過材料的電響應、熱響應、力響應等性質。對于膠體薄膜，加電導致薄膜可逆的收縮和膨脹實現變色；用一些熱響應材料做光子晶體，當溫度變化時，材料會發生膨脹和收縮；力響應是通過伸縮和拉伸材料使膜的厚度發生變化而變色。H.Seo等[Seo H.B,Lee S.Y.Bio-inspired stimuli-responsive color-changing systems[J]]受到天牛鞘翅具有空隙的光子晶體結構在不同濕度下可逆變色，利用直徑為250nm的SiO₂顆粒自組裝，制備了具有蛋白石結構的光子晶體，當空隙由空氣變成水時，光子晶體的顏色由綠色變成紅色。M.Qin[M.Qin.,Sun M.,Bai R.,etal.Bioinspired hydrogel interferometer for adaptive coloration and chemicalsensing[J]]使用水凝膠制備了單層仿生膜結構，外界刺激作用下，水凝膠厚度發生變化，從而反射出不同的顏色。通過以上這些方法變色并不能做到實時且精準變色。

本發明采用改變材料的介電常數(或者說折射率)的方式，實現微納結構的大范圍變色，顯著優勢在于調控精度高、變色速度快，可在毫秒甚至微秒或更短時間之內完成變色。將電介質物質放入電場中時，電介質將受到電場的作用，分子或原子內的正負電荷在電場力的作用下產生極小的彈性位移或偏轉，形成大量的電偶極子，這一過程稱為電介質的極化過程。介電常數的物理意義可以理解為電介質在極化過程中儲存電荷的能力，它反映了電介質的極化程度。電介質的極化是微觀上各種極化機制貢獻的結果，極化形式按照微觀結構主要分為：電子位移極化、離子位移極化、取向極化、弛豫極化和空間電荷極化等。無論是哪種形式的極化，都使得電介質內部出現了大量趨于外電場方向的電偶極子，這樣，分子電偶極矩的平均值不再為0。對于每種具體電介質，都存在一種占主導地位的極化形式。理想情況下，He、Ne等稀有氣體等單原子電介質只存在電子極化，化合物電介質存在電子極化和離子極化，極性分子的電介質同時存在電子、離子、取向三種極化，對于非純凈的電介質材料也存在空間電荷極化。一般來說，材料不能瞬時地響應電磁場的變化，也就是說，極化是以前電場的卷積。與時間相關的電極化率，應用傅里葉變換的時域卷積定理，可得

P(w)＝ε₀[χ](w)E(w) (1)