[發明專利]基于水凝膠納米微腔實現動態結構色及全息切換的方法

在審

• 申請號: 202111478435.3
• 申請日: 2021-12-06
• 公開（公告）號: CN114326350A
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 李仲陽;代塵杰;鄭國興;時陽陽;胡婉林;萬成偉;李哲;王澤靜
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G03H1/00
• 分類號: G03H1/00;G02B26/00;G02B5/32
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 齊晨涵

本發明公開了一種基于水凝膠納米微腔實現動態結構色及全息切換的方法，水凝膠納米微腔由金屬?水凝膠?金屬三層薄膜堆疊而成；金屬層為銀層；水凝膠層為聚乙烯醇層；水凝膠層的聚乙烯醇可以吸水膨脹；水凝膠納米微腔在不同的濕度環境下透射出不同的顏色，通過空間排布階梯式的水凝膠納米微腔并結合全息相位的設計，可實現動態彩色的納米印刷圖案以及全息切換的功能。本發明將水凝膠結合水分子時的膨脹特性與納米微腔生成的結構色相結合，并加入全息相位信息，實現了多功能動態可調的新型光學顯示器件，同時具有結構簡單，調控方式簡單，功能豐富以及易于集成等優點，可廣泛用于動態彩色顯示，信息復用，以及下一代顯示技術。

技術領域

本發明屬于微納光學及薄膜光學技術領域，具體涉及一種基于水凝膠納米微腔實現動態結構色及全息切換的方法。

背景技術

結構色是由物理結構本身對光譜的選擇性而產生的顏色，與色素著色無關，具有穩定，不褪色，環保等優點。在超表面光學領域，通過設計單元結構的尺寸大小、形狀以及周期等幾何特征，基于等離子體共振等物理機制，可以實現多彩的結構色。另一方面，基于法布里-珀羅(Fabry–Perot，FP)腔的干涉效應，一種由金屬-絕緣體-金屬三層薄膜組成的透射式納米微腔濾光片被提出。(Li Z,Butun S,Aydin K.Large-area,lithography-freesuper absorbers and colorfilters at visible frequencies usingultrathinmetallic films[J].ACS Photonics,2015,2(2):183-188.)。其具有簡單的結構，以及出色的光譜選擇性，因此也被廣泛應用于結構色的生成以及助力新型的光子學器件。與超表面生成結構色所需的納米結構相比，金屬-絕緣體-金屬納米微腔享有更簡單的結構和設計機理，即只需改變絕緣體層的厚度，就能實現透射光顏色。然而，目前基于金屬-絕緣體-金屬納米微腔的結構色大多數是靜態的，同時，將其應用以實現多功能的集成器件仍未被探索。結構色納米印刷和全息，是光學信息顯示的兩個重要組成部分，如何將他們集成并實現動態的顯示或切換，仍缺少探索和實現路徑。隨著對光學器件小型化，集成化的要求和趨勢，利用微納尺度下的結構，探索并實現多功能以及動態可調控的器件，亟待新的創新和革命。

發明內容

針對現有技術中的不足，本發明提供了一種基于水凝膠的納米微腔結構實現動態結構色及全息切換的方法。用此方法，可以通過設計具有空間排布的階梯式納米微腔陣列，來同時實現彩色納米印刷圖像的顏色動態調控和兩幅全息圖像的動態切換。

為實現上述目的，本發明提供一種基于水凝膠納米微腔實現動態結構色及全息切換的方法，其特征在于：包括如下步驟：

S1：利用電子束灰度曝光加工出具有不同水凝膠高度的金屬-水凝膠-金屬納米微腔；

S2：將樣品分別置于低相對濕度和水浸潤的環境中并測量光譜；

S3：找出兩種具有不同水凝膠厚度的納米微腔分為第一結構1和第二結構2；所述第一結構1和第二結構2在特定波長λ處，在不同環境中能夠實現透射率的反轉；即低環境濕度：對于特定波長λ，第一結構1透射率高，第二結構2透射率低；水浸潤：對于特定波長λ，第一結構1透射率低，第二結構2透射率高；

S4：將兩幅全息圖像即全息圖#1和全息圖#2所需的相位分布分別對應于所述第一結構1和第二結構2的空間排布，同時將第一結構1和第二結構2的空間排布與需要顯示的納米印刷圖像中兩種不同的顏色相對應；

S5：在白光照射下納米印刷圖像在不同濕度環境下，顯示不同的顏色；當用特定波長的激光照射時，納米微腔陣列在低環境濕度下，投射出全息圖#1，在水浸潤環境下，投射出全息圖#2。

作為優選方案，制備得到一種基于水凝膠的納米微腔結構，由三層薄膜結構堆疊構成：金屬-水凝膠-金屬；所述金屬-水凝膠-金屬按照自上至下的順序依次排布；