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    “微納結構色”你了解多少?應用在標簽上到底有多炫呢?!看這里!

    時間:2021-04-23 09:06:28來源:科印網作者:胡祖元

      什么是結構色?雨后彩虹,是我們經常見到的色,然而它卻是天空中無數個透明水分子顆粒聚集在一起經過光學折射產生的色散現象。孔雀的羽毛、蝴蝶的翅膀因為表面的微納結構產生光的干涉、衍射作用而產生斑斕的變化色彩。科學家們進而發現:貝母、昆蟲、鳥類的許多自然界色彩都與化學染料、色素無關,即他們本無色,色從空中生,這些色都是空。

      大多數憑“空”造出來的色都屬于物理色,比如我們經常見到的光碟表面色彩、鉆石的璀璨光彩,肥皂水吹出來的彩色泡泡等,當這個色彩繽紛的潘多拉盒子被打開后,我們才領悟到“空即是色”,原來只要創造出一種純物理的結構,通過空氣和介質面的穿透、放射,就可以出色、出彩。

      01 結構色的種類

      (1)多層光學薄膜結構

      采用PVD物理氣相沉積等方法在承載體表面蒸鍍多層不同厚度、不同折射率的納米級薄膜層,通過光學干涉形成結構色。光學薄膜層的界面呈幾何分割,不同薄膜層的折射率在界面上可以發生躍變,在膜層內連續。薄膜材料可以是透明介質,也可以是吸收介質。

      (2)光子晶體結構

      光子晶體是由兩種折射率不同的物質周期性排布形成的微觀結構,制備技術主要有半導體精密加工、電子束光刻、激光直寫技術以及自組裝法、飛秒激光干涉法等。通過調控晶格常數、折射率等產生光子帶隙,阻斷特定頻率的光波形成結構色。

      (3)介質-金屬納米結構

      采用微納加工技術在含有金屬的材料表面形成納米結構。通過入射光波與該納米結構相互作用,進而激發近場光學效應形成結構色。介質-金屬納米結構包括亞微米光柵、納米顆粒等與金屬材料的組合。調控亞微米光柵周期、取向以及金屬顆粒大小、材料折射率等參數可以呈現不同的結構色。

      (4)光柵結構

      光柵結構通常采用激光直寫、全息干涉、離子/電子束光刻、數控加工(CNC)等方法制備,光柵線寬通常在幾百納米到幾個微米量級之間,通過調控光柵周期、角度、深度、折射率、占空比等參數,實現對光的衍射、散射作用,形成結構色。

      02 光柵結構色制作

      盡管能夠產生微納結構色的方法有很多,但是我們所見到的大多數還是光柵結構色,人們通常稱之為“鐳射”或“激光全息”,原因是我們早期大多采用全息干涉曝光的方法制作一些光柵結構的圖文,并能產生一些動態或立體效果,曝光采用的光源是激光(有些人稱“鐳射”)。隨著科學技術的進步,這些光柵微納結構目前大多采用半導體投影光刻、電子束直寫等方式來實現,甚至用超高精度CNC加工設備來制作帶有光滑傾角變化的菲涅耳光柵透鏡(俗稱“貓眼”),用灰度曝光等方法來實現帶有浮雕立體感的“變異菲涅爾”光柵。這些光柵微納結構可以通過制成一個模具,實現批量生產。

      相比光子晶體、多層薄膜等微納結構來說,光柵結構色生產效率高、成本低,還可以很方便地進行圖形化設計,因此,光柵結構色成為目前市場上流行的主要結構色種類,尤其在印刷包裝防偽領域,由于印刷包裝對價格成本控制要求非常高,而光柵結構色則能夠基本滿足印刷包裝市場的這一低成本要求。那么,如何制作光柵結構色呢?


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