基于多级人工微结构的动态光学界面的设计、制备及调控

According to the reversible modulation of optical properties, the optical control materials and devices have exhibited great value in the fields of smart windows, stealth, displays and so on. However, existing optical control materials or devices to have problems in multiple modulation in transmission direction, light intensity and colors. Here, based on our research in anisotropic optical properties of hierarchical structures on the gray butterfly wings, we put forward the combination of multi-level microstructures and chromic materials. Through the coupling of optical anisotropy of microstructures and absorption/reflection modulation of optical materials, dynamic optical control interfaces by electric will be achieved. In this research, typical electrochromic polyaniline, nano Ag and Ni thin film with plasmon resonance properties are chosen as optical materials. Through the assembly of optical control device and characterization of their optical control properties, the control mechanism of multi-microstructure parameters and optical material structures on the optical properties including direction, intensity and colors is discussed. This project provides a novel way for the development and design of precise dynamic and integrated optical control materials and devices.

光学调控材料通过对光学性能的可逆调控，在智能窗、隐身、显示器等行业显示出巨大的应用价值，但现有光学调控材料难以实现对光的传输方向、光强及颜色进行综合调节。在拥有多级结构的灰蝶翅膀展示出各向异性光学特性的研究基础上，本项目提出多级微结构与光学功能材料相结合的构想，将多级微结构的光学各向异性与光学材料吸收/反射性能的可调控性协同耦合，构筑电场调控的动态光学综合调控界面。本项目以典型电致变色聚苯胺材料、纳米Ag、Ni薄膜作为光学材料，分别研究多级微结构的掩模光刻技术及光学材料的电化学工艺对微结构参数及材料的形态、结构的控制，通过组装光学调控器件，表征器件的光学调控性质，揭示多级微结构与变色材料耦合下光的传输方向、光强及颜色的综合调控机制。本项目为精准动态光学综合调控材料及器件的研发和推广提供了新的思路。

光学调控材料通过对光学性能的可逆调控，在智能窗、隐身、显示器等行业显示出巨大的应用价值，但现有光学调控材料难以实现对光的传输方向、光强及颜色进行综合调节。因此，开发基于新原理或机制的光传输方向可调且同时透过率、色彩可调的高效、多功能动态光学材料和器件成为一种迫切需求。本项目基于多级微结构与光学功能材料相结合的构想，将多级微结构的光学各向异性与光学材料吸收/反射性能的可调控性协同耦合，构筑电场调控的动态光学综合调控界面。利用COMSOL软件模拟光在周期性正弦薄膜结构、倾斜结构表面的传输过程，并深入探究了周期性结构振幅、波长、及入射光角度对光传输方向及强度的影响。模拟结果显示，光的传输方向与一级结构间的反射与回射密切相关，可通过改变周期性褶皱的振幅与波长比实现可视角的调控；倾斜结构中，入射光角度影响结构表面的散射及反射，导致光强改变。其次，通过垂直光刻、倾斜光刻及棱镜辅助光刻完成了垂直或倾斜的一级微结构及其表面二级微结构制备，通过光刻辅助湿法刻蚀完成了倒金字塔形微结构制备，并探讨其工艺参数对多级微结构的单元尺寸、几何形态、单元分布的影响，完成光刻工艺方案优化及多级微结构制备。利用电化学方法在微结构修饰的导电玻璃表面沉积Ag纳米粒子，在具有多孔或光滑镀金膜表面沉积聚苯胺，探究了微结构对粒子沉积-溶解、离子嵌-脱过程的影响，揭示微区和限域空间对金属纳米颗粒的控制、对导电聚合物的离子扩散的影响。最后，基于电极表面电荷对胶体粒子自组装的诱导效应，提高结构色的亮度和饱和度，构建了一种高稳定、快速响应的多色彩高亮度器件，并展示了此种器件在显示、防伪等应用前景。本课题不仅为多级微结构的构筑工艺提供了实验基础，同时耦合多级异形微结构对光传输方向的调节及变色材料吸收/反射性能的可调控性，为光学调控器件的设计与研发提供了新思路。