一種實時動態(tài)等離激元調(diào)控變色的機械變色龍的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學隱形材料技術領域，具體涉及一種實時動態(tài)等離激元調(diào)控變色的 機械變色龍。
【背景技術】
[0002] 光學隱形是軍事和仿生研究中最大的挑戰(zhàn)之一。盡管付出了巨大的努力，今天所 研究的偽裝方法大多數(shù)還是源自于可追溯到19世紀40年代的迷彩涂層技術。一種更為復 雜的方法涉及入射光的重定向去開發(fā)出一種"隱形斗篷"。最近，超材料被證明在微波頻段 使電磁波彎曲是有效的，但實際應用中擴展到整個可見光卻具有挑戰(zhàn)性，特別是在射擊光 傳播的環(huán)境中。另一方面，動態(tài)偽裝能迅速適應一個物體的環(huán)境，它能更為可行地實現(xiàn)有效 隱身。仿生技術的關鍵在于實現(xiàn)寬反射帶電驅(qū)動激勵，它或許通過一些現(xiàn)有的方法部分可 行，包括電泳、膽留液晶和電致變色。這些技術的主要缺點是，它們通常需要顏色過濾器或 多個調(diào)色層，從而導致低的反射率和更為復雜的裝置。盡管有諸如光子晶體等單層器件的 報道，但其多著色能力仍處于起步階段。然而，由于反射波長對于粒子間分離的內(nèi)在依賴， 熱膨脹和收縮可能會嚴重影響波動溫度環(huán)境下的著色。眾所周知，等離激元納米結(jié)構(gòu)在紫 外至近紅外光譜范圍內(nèi)能被用于大幅調(diào)整光學反射和吸收。盡管很難獲得電激勵的色彩， 他們?nèi)员蛔C明能比標準的技術產(chǎn)生更飽和的顏色。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種實時動態(tài)等離激元調(diào)控變色的機械變 色龍。
[0004] 本發(fā)明所以采用的技術方案是：一種實時動態(tài)等離激元調(diào)控變色的機械變色龍， 其外表面覆蓋有等離激元器件；其特征在于：所述等離激元器件是將等離激元顏色的可調(diào) 性與電沉積引起的結(jié)構(gòu)可變性相結(jié)合，用電化學方法將銀沉積到金納米圓頂顆粒上，同時 又可將銀從金納米顆粒上剝離，形成金核-銀殼納米圓頂結(jié)構(gòu)；所述等離激元器件通過控 制電路、傳感器使得機械變色龍行走到相應背景顏色的時候，自身就自動變成相應的顏色， 始終與彩色背景保持相同的顏色。
[0005] 作為優(yōu)選，所述金核-銀殼納米圓頂結(jié)構(gòu)制備方法是首先將孔洞高度有序的陽極 化氧化鋁（ΑΑ0)膜覆蓋到二氧化硅（Si02) (50nm)/氧化銦錫（ΙΤ0)玻璃上，然后采用反應 離子刻蝕（RIE)法去除陽極化氧化鋁（ΑΑ0)孔下面的二氧化硅（Si02)薄膜，最后將其裝入 充滿包含正銀離子凝膠電解質(zhì)的器件中。
[0006] 作為優(yōu)選，所述金核-銀殼納米圓頂結(jié)構(gòu)，其電極以標準的三電極系統(tǒng)為基礎，兩 電極之間的電壓差為1. 5V，具有良好的穩(wěn)定性和可重復性。
[0007] 作為優(yōu)選，所述等離激元器件顯示采用時域有限差分（FDTD)進行建模仿真。
[0008] 作為優(yōu)選，所述用電化學方法將銀沉積到金納米圓頂顆粒上，整個過程由掃描電 子顯微鏡（SEM)、透射電子顯微鏡（TEM)和能量色散譜（EDS)圖像對納米圓頂?shù)难莼M行表 征。
[0009] 作為優(yōu)選，所述金核-銀殼納米圓頂結(jié)構(gòu)為半橢圓形結(jié)構(gòu)。
[0010] 作為優(yōu)選，所述機械變色龍配置有自動控制系統(tǒng)和機器視覺系統(tǒng)，機器視覺系統(tǒng) 獲得的信息經(jīng)自動控制系統(tǒng)的微處理器處理自動分析后并傳遞給機械變色龍身上安裝的 單個等離激元顯示單元，用于模擬環(huán)境的整個彩色圖案，從而相應的改變機械變色龍身體 外觀的顏色。
[0011] 作為優(yōu)選，所述機械變色龍采用3D打印技術制造。
[0012] 本發(fā)明建立在雙金屬結(jié)合的納米點陣列和電化學偏壓基礎上，通過電化學控制金 核-銀殼納米顆粒圓頂陣列的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了可逆的全彩等離激元器件顯示，并且成功地將 這些單元整合到一個機械變色龍身上，使得變色龍能自動與彩色背景保持相同的顏色。同 時，本發(fā)明允許實時光照控制，容易與既定環(huán)境中的顏色設置相匹配。這項技術也可以與復 雜的環(huán)境相結(jié)合，為人工偽裝提供了一種新途徑。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明實施例的等離激元器件的結(jié)構(gòu)和功能示意圖；
[0014] 其中：a為等離激元器件的原理圖，雙層半橢球形代表不同銀-殼厚度的納米圓 頂；b為蝕刻和去除氧化鋁后形成的二氧化硅納米孔陣列的SEM圖像，比例尺為100nm ;插 圖為二氧化娃納米孔的橫截面的SEM圖像，比例尺為50nm ;c為金納米圓頂陣列SEM圖像 的上視圖，比例尺為l〇〇nm ;d為工作的等離激元構(gòu)成，包括電極、凝膠電解液、密封；e為在 RGB顏色中裝置顏色的顯微圖像；f為600nm光色彩轉(zhuǎn)化率與電沉積電壓之間的關系圖，掃 描速率為0. 2V/s，插圖為等離激元器件在起點和終點的照片；
[0015] 圖2為本發(fā)明實施例的等離激元器件的電驅(qū)動顏色改變示意圖；
[0016] 其中：a為不同電沉積時間后器件的反射光譜；b為不同電沉積和電剝離時間與反 射峰值波長之間的關系圖，插圖是對應所選擇點處器件的照片；c為等離激元器件的色品 圖；
[0017] 圖3為本發(fā)明實施例的金核-銀殼納米圓頂?shù)奈⒔Y(jié)構(gòu)特性示意圖；
[0018] 其中：a為沉積時間分別為0秒、1. 5秒、3秒、4秒時45度角拍攝的樣品納米圓頂 陣列的SEM圖片，比例尺為lOOnm ;b為來自a中樣品的單個納米圓頂?shù)腡EM圖像，比例尺為 20nm ;c為與b中樣品相關的金的EDS圖譜；d為金元素的EDS圖譜；
[0019] 圖4為本發(fā)明實施例的金核-銀殼納米圓頂陣列的光學特性的時域有限差分法 (FDTD)的數(shù)值計算示意圖；
[0020] 其中：a為仿真原理和相關參數(shù)；b為二維反射光譜與a中所示的銀殼厚度之間的 關系圖，隨著銀殼厚度的增加，藍移效應顯著；c為光波長為650nm，銀-殼厚度為0 (左）， 光波長為450nm，銀-殼厚度為30nm(右）的模擬電場分布；d為反射光譜的比較：黑色曲 線代表的是銀核（30nm)-金殼納米圓頂?shù)姆瓷涔庾V，紅色曲線代表的是相同大小和形狀的 純金納米圓頂?shù)姆瓷涔庾V；
[0021] 圖5為本發(fā)明實施例的設置有等離激元顯示單元的變色龍的應用示意圖；
[0022] 其中：a為安裝有類似裝甲的等離激元的塑料變色龍示意圖，理想情況下，等離激 元主體可以顯示顏色模式用來模擬背景；b的頂部為一個真實的變色龍照片，底部為在戶 外草地上的等離激元變色龍照片；C為變色龍演示影片的屏幕截圖，變色龍的前后部分隨 著顏色背景可以獨立改變顏色；d的左圖為"快速顯示"的操作示意圖，所有等離激元細胞 單元可同時工作；右圖為顯示操作顯示字母"s"- "Y"- "S"影片的屏幕截圖；e的左圖為 "靜態(tài)顯示"的操作示意圖，這里等離激元細胞單元是在矩陣-尋址結(jié)構(gòu)上逐行運行的；中 間圖為一個學校建筑的照片；右圖為在16X128像素幾何上用等離激元細胞顯示再生該建 筑和"W-H-U"字母的照片；
[0023] 圖6為本發(fā)明實施例的用于刻蝕模板的陽極化氧化鋁（ΑΑ0)的SEM圖片，比例尺： 100nm ；
[0024] 圖7為本發(fā)明實施例的陽極化氧化鋁AA0和Si02界面的SEM圖片，比例尺：100nm ;
[0025] 圖8上圖為本發(fā)明實施例的陽極化氧化鋁（AA0)照片圖像；左下圖為本發(fā)明實施 例的沉積了 Au納米顆粒之后的Si02納米孔陣列；右下圖為本發(fā)明實施例的封裝器件的照 片；
[0026] 圖9為本發(fā)明實施例的Au納米圓頂電極的CV曲線；
[0027] 圖10為本發(fā)明實施例的柔性電致發(fā)光（EC)裝置IV電壓下沉積1秒前后的照片；
[0028] 圖11為本發(fā)明實施例的等離激元器件的耐久性能示意圖；
[0029] 圖12為本發(fā)明實施例的納米圓頂?shù)腡EM圖片，比例尺：100nm ;
[0030] 圖13為本發(fā)明實施例的樣品光譜圖，其中圖a-d是樣品1、2、3、4的EDS光譜；不 同顏色代表不同的元素，波峰峰值的高低代表元素含量的高低。
[0031] 圖14為本發(fā)明實施例的ε i ( λ )對波長的依賴關系圖；
[0032] 消光截面可以表示為：
[0034] 最大截面發(fā)生在：
.情況如下：截面長寬比變化將引起

的改變，為保持該式為零，λ)需要做出相應的改變，從而導致峰值波長的改 變；
[0035] 首先Rz的增大使得
增大，P的增大使得 增 大。因此，
減少.最終，在等式
，ε i ( λ )需要增加使 該等式保持為零；
[0036] 顯然，當發(fā)生藍移時，ε J λ)將增加；換言之，當由于銀沉積使得Rz增加時，消光 截面峰出現(xiàn)藍移效應；
[0037] 圖15為本發(fā)明實施例的機械變色龍結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038] 圖16為本發(fā)明實施例的運行機制以及主要控制電路的線路圖；
[0039] 其中，w, c, ε m and V分別表示真空光角頻率，光速，周圍材料的介電常數(shù)，粒子的 體積。匕為去極化因子，包括P x，PY和P z，Rx，RY和R 2分別代表X、Y、Z三軸的長度。
【具體實施方式】
[0040] 為了便于本領域普通技術人員理