大面积薄膜结构色成色机理及加工方法

摘要

在生物界中，颜色主要有两种来源，色素色和结构色。近年来，结构色以其鲜艳低污染不易退色等优点，逐渐受到重视。结构色的形成主要机理有：薄膜干涉，光栅衍射，散射和复杂结构的光子晶体而产生的颜色。其中薄膜结构色以其结构简单，颜色可控，可复制性好等优点而被广泛应用。本文研究并实验了在同一表面实现多种不同颜色的大面积加工。主要进行了以下几方面的工作：
　　 1．检测蝴蝶翅膀鳞片的微结构并建模分析了其颜色产生机理。主要研究了大紫蛱蝶，凤蝶，和翡翠凤蝶三种不同的蝴蝶翅膀上鳞片的微结构，通过扫描电镜透射电镜而得到的微结构图及光谱分析而得到其结构产生颜色的机理，并用不同模型理论对其进行分析。
　　 2．研究分析了自组装二氧化硅纳米微球的成色机理。自组装而产生的密排结构可以由二氧化硅和空气组成的不同占空比的多层膜结构而进行分析。通过二氧化硅在空气中的填充比得到等较的薄膜厚度，利用传输矩阵法对其进行分析，分析结果与所测得的光谱十分吻合。
　　 3．实现了同一表面多种颜色多层膜的结构色加工。通过掩膜来实现区分不同的颜色及形状。掩膜由不透钢材料经线切割处理后加工而成，耐高温，且平坦，因而边缘效应不明显。采用了二氧化硅和二氧化锆两种材料交替镀膜的方法，运用电子束蒸发的薄膜沉积方法，λ/4系统被改进为3λ/4系统应用于加工以提高颜色的饱和度，从而得到鲜艳的结构色。
　　 4．实现了在同一表面多种颜色单层膜的加工。镀膜方法采用磁控溅射法，材料选取装饰膜的常用材料氮化锆，基底材料为不透钢。分析可得，不同粗糙度的基底只对颜色的明度特性有影响，而反射光的中心波长，即色调信息与膜厚有关。加工过程由于边缘效应及膜厚的影响，色彩纯度有些欠缺。
　　 综上所述，本文围绕着与薄膜结构色相关的理论和实验进行开展，将薄膜技术与结构色结合起来。这些理论与实验的结果为结构色加工的工业化生产提供了相关依据。

目录

文摘

英文文摘

第一章 引言

1.1 颜色

1.2 结构色形成机理

1.2.1 薄膜干涉原理

1.2.2 光栅衍射原理

1.2.3 散射原理

1.2.4 光子晶体

1.3 结构色发展现状

1.4 薄膜基础

1.4.1 自然界的薄膜结构

1.4.2 薄膜生长原理

1.4.3 沉积加工方法

1.4.4 镀膜材料

1.5 本文研究的主要内容与选题意义

第二章 蝴蝶翅膀成色原理分析

2.1 结构与组成

2.2 检测方法及装置

2.2.1 样品制备

2.2.2 样品检测

2.3 模型分类

2.4 结构与光谱

2.4.1 塔状结构

2.4.2 层状结构

2.5 本章小节

第三章 二氧化硅微球自组装实验

3.1 实验样品制备

3.1.1 垂直沉积法

3.1.2 样品制备

3.2 模拟分析

3.2.1 薄膜分析法

3.2.2 Bragg方程

3.3 光谱分析

3.3.1 光谱测量方式

3.3.2 实验结果

3.4 非密排结构实验

3.4.1 实验步骤

3.4.2 实验结果

3.5 本章小节

第四章 大面积多层膜结构色研究

4.1 λ/4多层膜系统基本原理

4.1.1 多光束干涉与单层膜原理

4.1.2 多层膜系统原理

4.2 膜系的设计

4.3 掩膜的制备

4.4 理论模拟与实验结果

4.4.1 膜厚对带宽的影响

4.4.2 膜系设计与加工

4.5 本章小结

第五章 大面积单层装饰膜研究

5.1 氮化物装饰膜原理

5.1.1 加工方法及缺陷

5.2 不同粗糙度的金属基底

5.2.1 基底制备

5.2.2 样品加工

5.3 图形加工

5.3.1 参数设定

5.3.2 实验结果

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 研究成果

6.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文