Vervaardiging van optische schakelpatronen met structureel gekleurde microvezels

Resultaten en discussie

Uitgelijnde nanovezels zijn nodig om een ​​optisch schakelpatroon te produceren. Nanovezels die in de lucht zweven, worden uitgelijnd met behulp van de hierboven beschreven parallelle collector en vervolgens overgebracht naar het doelsubstraat (figuur 1a). De uitgelijnde nanovezels op het doelsubstraat worden vervolgens met warmte behandeld met behulp van een hete plaat (500 ° C) om de polymeercomponent te ontleden en een dunne ZnO-zaadlaag te vormen (figuur 1b). Deze laag kan hydrothermisch worden gekweekt om de gewenste structurele kleuren te verkrijgen, en het deel waar de hydrothermische groei plaatsvindt, kan worden geregeld door het reactiegebied in patroon te brengen met behulp van een maskeringstechniek (figuur 1c). Vervolgens wordt het definitieve patroon verkregen door het verwijderen van afplaktape of kan extra patroon worden aangebracht door extra patroonvorming en hydrothermische groei.

Schematische weergave van het fabricageproces voor structurele kleuren van uitgelijnd zinkoxide (ZnO). een De elektrospun nanovezel wordt verzameld in een verticale richting tussen parallelle elektroden en overgebracht naar het doelsubstraat. b Om de polymeercomponent van de overgedragen nanovezel te verwijderen, wordt een warmtebehandeling uitgevoerd bij 500 ° C om een ​​kiemlaag te vormen. c Patroonvorming wordt uitgevoerd met behulp van plakband en hydrothermische groei wordt uitgevoerd in een bad met constante temperatuur. d Het verwijderen van de masking tape maakt het uiteindelijke patroon compleet. (Extra maskering en hydrothermische groei maken het mogelijk om complexe patronen te creëren)

Figuur 2 toont de structurele kleur die wordt verkregen door de hydrothermische groeitijd van de microdraden te variëren. Naarmate de hydrothermische groeitijd toeneemt, neemt de dikte van de microdraad toe, waardoor de optische eigenschappen veranderen. Figuur 2a toont de hydrothermische groeitijd die van links naar rechts met 2 minuten toeneemt, en de onderste afbeelding toont een monster dat gedurende vier extra minuten is gegroeid. Het structurele gekleurde patroon was reproduceerbaar gedurende een bepaalde synthesetijd en het reactiegebied werd gelokaliseerd met behulp van de maskeringsmethode. Afbeelding 2b toont een monster dat is gemaakt om het monster te vervaardigen met willekeurig heldere structurele kleuren. Om de willekeurige kleuren te genereren, werd een monster met een zaadlaag willekeurig ondergedompeld in de hydrothermische groeioplossing door het monster te schudden of de hydrothermische groeioplossing op het substraat te sproeien. Het resultaat was een willekeurig kleurmonster, vrij van een maskeerlijn. De onderste SEM-afbeelding laat zien dat microdraden van verschillende afmetingen werden geproduceerd met verschillende gekleurde segmenten.

een Verandering van structurele kleur als functie van synthesetijd. b Optische en scanning-elektronenmicroscopiebeelden van de nanovezels die het prachtige structurele kleurenpatroon tonen dat haalbaar is met nanovezels vervaardigd na gerandomiseerde synthesetijden

Figuur 3 laat zien hoe de technieken op basis van deze ZnO-microdraadfabricagemethode kunnen worden uitgebreid. Het proces van het maken van een structurele kleur met behulp van ZnO-microdraden is niet nadelig voor massaproductie. De eenvoudigste manier om in massa te produceren, is door mallen te gebruiken. Figuren 3A en A' tonen patronen die zijn geproduceerd met behulp van ZnO-nanogestructureerde patronen op een glassubstraat en gedupliceerde patronen met respectievelijk polydimethylsiloxaan (PDMS). In het gerepliceerde patroon met behulp van PDMS, wordt de vorm van ZnO-nanostructuur intact gerepliceerd in PDMS (ZnO-nanostructuur blijft op het oorspronkelijke glassubstraat en wordt niet overgebracht naar PDMS-patroon). Figuur 3A is een patroon gemaakt op glas, terwijl figuur 3A 'een patroon is gemaakt met PDMS; beide werden vervaardigd op een transparant substraat. Fig. 3A is ook een optisch beeld van een monster dat 10 keer is gerepliceerd. Dit bevestigt dat het patroon goed is gefabriceerd tijdens het repetitieve replicatieproces. Op die manier konden we de structurele kleur waarnemen wanneer het licht van de achterkant het patroon binnendrong. Aangezien licht door het patroon moet gaan, moet het transparante substraat van achteren worden verlicht, maar de lichtbron, het patroon en de waar te nemen detector hoeven niet op een lijn te staan. De structurele kleur die in het gedupliceerde monster werd waargenomen, was vergelijkbaar. Afbeelding 3B toont een monster dat structurele kleurverandering liet zien door extra groei door het te kweken deel te beperken na het construeren van de structurele kleur. De kleuren verschillen duidelijk van elkaar. Figuur 3B 'toont het resultaat van nauwkeurig onderzoek van het onderdeel met het label B' in Fig. 3B met een optische microscoop. De meeste nanovezels zijn goed uitgelijnd in verticale richting. Er zijn duidelijke grenzen zichtbaar tussen het geelgekleurde buitenste deel van de cirkel aangegeven met C en het groengekleurde binnenste deel van de cirkel aangegeven met D. Figuur 3C, D toont SEM-afbeeldingen van respectievelijk C en D. Verdere synthese leidde tot een toename van de totale microdraaddimensie, maar de verandering in de grootte van elke nanostructuur die de microdraad vormt, veroorzaakte de verandering in structurele kleur. Het SEM-beeld laat zien dat de grootte van elke nanostructuur ook is vergroot, wat de quasi-geordende verstrooiing veroorzaakt.

een Structureel kleurenpatroon van een engel en het patroon is 1 keer gedupliceerd (A’ ) en 10 keer (A” ) met behulp van polydimethylsiloxaan. b Patroon waarvoor twee kleuren werden verkregen door de synthesetijd te variëren en (b’ ) een afbeelding van het randgedeelte waargenomen met een optische microscoop. c , d Scanning-elektronenmicroscoopbeelden van nanovezels in de buitenste en binnenste delen van b’

Structurele kleurveranderingen met kijkhoek. Onze structuren vertoonden deze functie. Zoals hierboven opgemerkt, verschilt de zichtbare kleur van een transparant substraat van die van een reflecterend substraat. Bij een transparant substraat wordt licht door het substraat waargenomen, terwijl bij een reflecterend substraat licht door het substraat wordt gereflecteerd en direct door onze ogen wordt waargenomen. In beide omgevingen bleef de eigenschap van kleurverandering afhankelijk van de waarnemingshoek behouden. Figuur 4a toont structurele kleur vervaardigd op een reflecterend substraat (siliciumwafel), en figuur 4b toont structurele kleur gemaakt op een transparant substraat (glas). Het is duidelijk dat de structurele kleur veranderde afhankelijk van de invalshoek. Bovendien veranderde niet alleen de kleur met de waarnemingshoek, maar door de uitlijning van de nanovezels kon het patroon helderder of onzichtbaar worden gemaakt door simpelweg de invalshoek te veranderen. Als licht evenwijdig aan de uitlijnrichting van de nanovezels invalt, reflecteren ze het licht nauwelijks. Aan de andere kant, als licht loodrecht invalt, wordt het in veel richtingen gereflecteerd, waardoor de vezelarray gemakkelijk te zien is (figuur 4c). In het bijzonder valt in de loodrechte richting invallend licht op het gehele cilindrische deel van het vezeloppervlak, wat resulteert in een duidelijke zichtbaarheid omdat het in een zeer brede richting wordt gereflecteerd. Aan de andere kant kan licht dat in parallelle richting valt slechts in een beperkte richting reflecteren, zodat de totale hoeveelheid uitgestraald licht onvermijdelijk klein is en onzichtbaar wordt.

Kleurverandering van een structuurpatroon als functie van invalshoek op een a reflecterende ondergrond en b transparante ondergrond. c Effect op patroonzichtbaarheid door de oriëntatie van invallend licht ten opzichte van de uitlijningsrichting van de nanovezels. Links:loodrecht, rechts:parallelle oriëntatie