一种基于电场操控下低角度依赖性实时变色薄膜制造技术

本发明专利技术涉及一种基于电场操控下低角度依赖性变色薄膜，属于变色材料领域。本发明专利技术主要通过改变介电常数(折射率)的方法来实现变色，通过凹凸不平、不规则的表面来实现多重衍射和散射，使得薄膜反射的光具有低角度依赖性，从而既能实时变色又能大幅降低色彩的角度依赖性。观测视角为0度到30度时，反射峰移动在10nm内，薄膜反射的颜色几乎无变化；并且可以实时变色；本发明专利技术可以用在隐身方面，因为探测是远距离的，即目标物与探测设备有相当的距离，探测设备在这种情况下视场较小，即探测也是小角度范围的探测。如果在一个小角度范围(0度到30度)内实现与角度无关的颜色，就可以实现伪装隐身。隐身。隐身。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电场操控下低角度依赖性实时变色薄膜


[0001]本专利技术涉及一种基于电场操控下低角度依赖性变色薄膜，属于变色材料领域。

技术介绍

[0002]由于变色材料在军事和民用方面的应用需求，变色技术成为目前科学研究的 一个热门话题。科学家将自然界的颜色类型分为两类，一类是化学色，一类是结 构色。化学色用化学着色剂和通过颜料色素达到着色目的。这种方法可能引起资 源破坏和环境污染等问题。相比色素色，结构色具有耐腐蚀、无环境污染且永不 褪色等优点。结构色具有结构敏感性。结构敏感性是指对于不同的结构参数和材 料参数，它会呈现不同的颜色。因此可以通过改变微纳结构的结构参数或材料参 数来实现变色。比如改变微纳结构的几何尺寸、改变折射率比值或者改变材料填 充比等。关于结构色，目前的研究大多是围绕光子晶体展开的。光子晶体是由具 有不同介电常数的材料周期性排布而成。但是光子晶体产生的结构色有一个无法 避免的缺陷，也就是虹彩效应。即光子晶体产生的颜色与观察角度有关。通过布 拉格衍射定律和斯涅尔定律，可以推得光子晶体的布拉格定律，如式(1)所示
[0003][0004]其中λ
max
是反射峰波长，d是周期结构尺寸，θ是入射光线与法线夹角，n
eff
是光 子晶体的有效折射率。
[0005]通过光子晶体的布拉格公式，可以看出光子晶体反射峰所在位置λ
max
与入射 角θ之间的关系。因为在很多变色的应用场合，需要观察到的色彩与入射角θ 无关。为了克服有关这一难题，目前提出了两种方法：第一种是短程有序，短 程有序的微结构在各个方向光被均匀散射，因而呈现出非虹彩效应，即低角度 依赖性。张欣在[Brilliant structurally colored films with invariable stop-band andenhanced mechanical robustness inspired by the cobbled road]中使用短程有序的 SiO2颗粒实现了与角度无关的结构色。并且该团队是通过改变SiO2颗粒半径 来实现变色，这种方法在微结构制备之后，它的颜色就已经确定，因而不能实 时变色。第二种方法是制造椭球，或者凹球。周金明在专利[一种形貌可控且色 彩无角度依赖性的光子晶体微粒及其制备方法]中提出通过将光子晶体微粒制成 椭球或者凹球形来实现与入射角度无关的颜色。该方法也不能实现实时变色。 在目前光子晶体结构色变色材料的研究中，几乎没有研究团队考虑解决角度依 赖性问题，在解决光子晶体角度依赖性的研究中，大部分研究团队只是产生低 角度依赖性的结构色，并没有去实现实时变色的功能。

技术实现思路

[0006]针对上述问题，本专利技术提出一种基于电场操控下低角度依赖性实时变色薄膜。 观测视角为0度到30度时，反射峰移动在10nm内，薄膜反射的颜色几乎无变 化；并且可以实时变色；本专利技术可以用在隐身方面，因为探测是远距离的，即目 标物与探测设备有相当的距离，探测设备在这种情况下视场较小，即探测也是小 角度范围的探测。如果在一个小角度
范围(0度到30度)内实现与角度无关的 颜色，就可以实现伪装隐身。
[0007]本专利技术主要通过改变介电常数(折射率)的方法来实现变色，通过凹凸不平、 不规则的表面来实现多重衍射和散射，使得薄膜反射的光具有低角度依赖性，从 而既能实时变色又能大幅降低色彩的角度依赖性。
[0008]本专利技术采用的材料为一种电可谐调的一种铁电薄膜-钛酸锶钡(BST)。BST 材料的折射率与存在于材料内部的多种微观极化方式有关，在低高频以弛豫极化 和取向极化为主，在红外波段以离子位移极化为主，在可见光波段以电子位移极 化为主。本专利技术主要运用BST材料在光波波段所表现的折射率随电场变化的性 质。如果在BST材料两端加上电压，所述BST在可见光波段的折射率将发生变 化。由于在可见光波段影响BST材料折射率的微观极化建立或消除的时间为毫 秒甚至微秒或更短，因而BST材料的折射率可以实时变化，进而可以实时变色。
[0009]对于色彩的低角度依赖性问题，通过将BST薄膜生长在凹凸不平、不规则 的基底上，从而形成凹凸不平、不规则的BST薄膜。所述凹凸不平、不规则的 表面微纳结构会出现多重衍射和散射，因此削弱反射光对角度的依赖性。
[0010]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。
[0011]一种基于电场操控低角度依赖性实时变色薄膜，包括：凹凸不平、不规则的 BST薄膜、衬底、底电极、顶电极；所述底电极与衬底连接，BST薄膜与底电极 和顶电极连接，在电极两端施加电压时，BST薄膜的折射率发生变化，薄膜反射 峰的位置发生变化，因而实现变色，且能够实现实时变色；如果撤去电压，则恢 复到未加电压时的颜色，即低角度依赖性实时变色薄膜具有可逆特性。
[0012]所述的BST薄膜为单层膜，且由于均匀生长在凹凸不平、不规则的衬底表 面，使BST表面变得凹凸不平、不规则。
[0013]所述BST薄膜的折射率在2.2-2.5之间。
[0014]所述BST薄膜的厚度在100nm-135nm之间。
[0015]主要通过制备凹凸不平、不规则的BST薄膜而进行多重散射和衍射来削弱 反射峰对角度的依赖性，并且通过仿真发现，对于平整的单层膜，反射峰的位置 具有比较强的角度依赖性，入射角度由0度变为30度时候，反射峰移动的位置 大于10nm。对于凹凸不平、不规则的BST薄膜，反射峰的位置具有比较低的角 度依赖性，无论是在变色前，还是变色后，反射峰的位置移动小于10nm。由于 薄膜整体反射率比较低，且谱宽比较大，与自然界色彩相接近，因此BST薄膜 可以产生与自然界相近的色彩，并且电可调谐的BST薄膜折射率变化速度比较 快，因此可以实现实时变色。
[0016]有益效果
[0017]1、本专利技术通过一种简单可行的方法解决了结构色角度依赖性的问题。
[0018]2、相比之前通过微球排列的短程有序产生无角度依赖性，该方法制作工艺 简单，成本低且能大规模生产。
[0019]3、该薄膜同时实现低角度依赖性和实时变色两方面的功能。
[0020]4、与以往结构色产生鲜亮的颜色不同，该薄膜能产生与自然界相近的颜色， 在伪装方面更具潜力。
附图说明
[0021]图1为平整单层膜结构
[0022]图2为凹凸不平、不规则BST薄膜结构示意图；
[0023]图3为平整膜，未加电场，折射率为2.4，垂直入射时的薄膜反射谱；
[0024]图4为平整膜折射率为2.4，0度与30度入射的反射谱；
[0025]图5为平整膜，未加电场，折射率为2.2，垂直入射时的薄膜反射谱；
[0026]图6为平整膜折射率为2.2，0度与30度入射的反射谱；
[0027]图7为凹凸不平、不规则BST膜，未加电场，折射率为2.4,垂直入射时薄膜的 反射谱；
[0028]图8为凹凸不平、不规则BST膜折射率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电场操控低角度依赖性实时变色薄膜，其特征在于：包括：凹凸不平、不规则的BST薄膜、衬底、底电极、顶电极；所述底电极与衬底连接，BST薄膜与底电极和顶电极连接，在电极两端施加电压时，BST薄膜的折射率发生变化，薄膜反射峰的位置发生变化，因而实现变色，且能够实现实时变色；如果撤去电压，则恢复到未加电压时的颜色，即低角度依赖性实时变色薄膜具有可逆特性。2.如权利要求1所述的实时变色薄膜，其特征在于：所述的BST薄膜为单层膜，且由于均匀生长在凹凸不平、不规则的衬底表面，使BST表面变得凹凸不平、不规则。3.如权利要求1或2所述的实时变色薄膜，其特征在于：所述BST薄膜的折射率在2.2-2.5之间。4.如权利要求1或2所述的实...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金英，王瑞，李卓，王欣，杨苏辉，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：