本發(fā)明屬于光電信息功能器件與新能源材料技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種基于U形結(jié)構(gòu)且可用于灰度編碼和顯示以及二值編碼和顯示的三維超構(gòu)材料。

背景技術(shù)：

二值顯示與編碼在通訊、計(jì)算等方面有著重大應(yīng)用。過去利用人工微結(jié)構(gòu)和超構(gòu)材料設(shè)計(jì)的二值顯示與編碼材料，都是基于二維結(jié)構(gòu)超構(gòu)表面來實(shí)現(xiàn)的，而由于其可編碼自由度少，靈活程度受到限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明公開一種基于U形結(jié)構(gòu)的新型三維超構(gòu)材料，相較于傳統(tǒng)的超構(gòu)表面，通過設(shè)計(jì)特定的金屬結(jié)構(gòu)單元引入額外自由度調(diào)控電磁波的物理性質(zhì)，可以使超構(gòu)材料對不同頻率的電磁波實(shí)現(xiàn)選擇性吸收，對不同偏振態(tài)的電磁波實(shí)現(xiàn)全吸收、部分吸收或全反射；并且由于該性質(zhì)，本發(fā)明所公開的三維結(jié)構(gòu)可在編碼與成像技術(shù)中有重要應(yīng)用。

本發(fā)明公開一種三維超構(gòu)材料，具有多個(gè)周期性分布的U形結(jié)構(gòu)；U形結(jié)構(gòu)由兩臂及連接兩臂的底部構(gòu)成，兩臂與Z軸同向且相鄰U形結(jié)構(gòu)的臂相互獨(dú)立不接觸，底部與X軸的夾角為θ，0°≤θ≤90°；每個(gè)U形結(jié)構(gòu)對應(yīng)圖像中一個(gè)像素點(diǎn)，所有U形結(jié)構(gòu)共同組成所需圖像。

進(jìn)一步的，各U形結(jié)構(gòu)的整體高度一致，與X軸的夾角為θ，不同θ角度對應(yīng)的U形結(jié)構(gòu)對同一偏振方向的入射光吸收的強(qiáng)弱程度不同，對應(yīng)一種灰度顯示。

進(jìn)一步的，U形結(jié)構(gòu)的周期4±0.5微米；

進(jìn)一步的，所述U形結(jié)構(gòu)的高度為1.5～2.3微米。

進(jìn)一步的，U形結(jié)構(gòu)的底部的高度為0.7±0.1微米，底部的長為2±0.2微米，線寬為0.3±0.05微米。

進(jìn)一步的，三維超構(gòu)材料的厚度為40±5納米。

本發(fā)明還公開一種三維超構(gòu)材料的制備方法，包括如下步驟：

在涂有光刻膠的介質(zhì)襯底上利用顯影液進(jìn)行顯影后呈現(xiàn)多個(gè)周期性分布的U形結(jié)構(gòu)支撐模型；再在U形結(jié)構(gòu)支撐模型和襯底表面鍍一層厚度均勻的金屬薄膜，從而制備出上述三維超構(gòu)材料；金屬薄膜采用銀膜、金膜或合金膜。

本發(fā)明還公開一種灰度編碼與顯示的方法，其特征在于：基于上述三維超構(gòu)材料，通過對圖像中各像素點(diǎn)對應(yīng)的U形結(jié)構(gòu)底部與X軸的夾角θ的不同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)圖像黑白灰色彩顯示；通過改變像素點(diǎn)對應(yīng)的U形結(jié)構(gòu)的高度實(shí)現(xiàn)對不同頻率入射光的選擇性吸收。

本發(fā)明還公開一種二值編碼與顯示的方法，其特征在于：上述三維超構(gòu)材料，底部與X軸的夾角θ取0°或90°，通過改變?nèi)肷涔獾钠穹较騺盹@示不同二值圖像；通過改變像素點(diǎn)對應(yīng)的U形結(jié)構(gòu)的高度實(shí)現(xiàn)對不同頻率入射光的選擇性吸收。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)相較于傳統(tǒng)的超構(gòu)表面，本發(fā)明所公開的三維超構(gòu)材料通過周期性分布的特定U形結(jié)構(gòu)引入了額外自由度以靈活地調(diào)控電磁波的物理性質(zhì)，大大提高了編碼的自由度，使其在編碼與成像技術(shù)中能有更重要的應(yīng)用。

(2)通過設(shè)計(jì)特定的U形結(jié)構(gòu)單元，可以使超構(gòu)材料對不同偏振態(tài)的電磁波實(shí)現(xiàn)全吸收、部分吸收或全反射，該特點(diǎn)是常規(guī)材料很難達(dá)到的。

(3)具體可通過改變U形結(jié)構(gòu)單元的高度，可實(shí)現(xiàn)不同頻率的電磁吸收，根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)電磁波吸收波段的選擇；通過改變U形結(jié)構(gòu)單元底部的取向，實(shí)現(xiàn)圖像的灰度編碼和顯示；可通過設(shè)計(jì)特定U形結(jié)構(gòu)的排布，實(shí)現(xiàn)二值圖像的編碼和顯示。

(4)本發(fā)明所公開的制備三維超構(gòu)材料的方法中，對金屬薄膜下方的介質(zhì)襯底的襯底性質(zhì)基本無要求；且制備方法通過現(xiàn)有技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)，如飛秒脈沖雙光子激光直寫技術(shù)、顯影液顯影技術(shù)、金屬鍍膜技術(shù)等，且制備工藝簡單，設(shè)計(jì)靈活，可擴(kuò)展性強(qiáng)。

附圖說明

圖1所示為三維U形結(jié)構(gòu)單元的模擬實(shí)驗(yàn)圖。

圖1中(a)是U形結(jié)構(gòu)單元的示意圖，底邊與X軸夾角為θ。

圖1中(b)是不同θ角對應(yīng)的U形結(jié)構(gòu)單元的模擬反射譜線，入射光沿X方向偏振。

圖1中(c)是底部取向X方向的U形結(jié)構(gòu)單元的模擬反射和透射譜。

圖1中(d)是將U形結(jié)構(gòu)單元按周期排列制備樣品的掃描電鏡照片，標(biāo)尺表示4微米長度。

圖2所示為灰度顯示實(shí)驗(yàn)圖。

圖2中(a)是實(shí)驗(yàn)中制備馬里奧樣品的掃描電鏡照片，標(biāo)尺表示200微米長度,該樣品由四種像素構(gòu)成，分別對應(yīng)圖1(a)中θ＝0°、30°、60°、90°U形結(jié)構(gòu)單元。

圖2中(b)是X偏振入射光下的焦平面陣列圖像，積分區(qū)間為1200-1300波數(shù)。

圖3所示為二值顯示實(shí)驗(yàn)圖。

圖3中(a)是實(shí)驗(yàn)制備樣品“A”、“B”的掃描電鏡照片。

圖3中(b)是圖3(a)中黑色方框區(qū)域傾斜45度的掃描電鏡照片。

圖3中(c)(d)分別是X和Y偏振入射光下的焦平面陣列圖像，積分區(qū)間為1200-1300波數(shù)，箭頭方向代表入射光偏振方向。

示意圖中的標(biāo)號(hào)說明：

1金屬薄膜 2介質(zhì)襯底 3介質(zhì)材料構(gòu)成的U形結(jié)構(gòu)單元，表面覆蓋薄金屬層

圖4所示為三維超構(gòu)材料的制作流程圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例中公開一種三維超構(gòu)材料，具有多個(gè)周期性分布的U形結(jié)構(gòu)；以空間三維坐標(biāo)系(X，Y，Z)為基準(zhǔn)，U形結(jié)構(gòu)由兩條與Z軸同向的臂和一條連接兩條臂的底部構(gòu)成，兩臂與Z軸同向且相鄰U形結(jié)構(gòu)的臂相互獨(dú)立不接觸，底部與X軸的夾角為θ，0°≤θ≤90°；每個(gè)U形結(jié)構(gòu)對應(yīng)圖像中的一個(gè)像素點(diǎn)，所有U形結(jié)構(gòu)共同組成所需圖像。

如圖1(a)所示實(shí)施例中，U形結(jié)構(gòu)的周期p為4微米，U形結(jié)構(gòu)的底部的高度d為0.7微米，底部的長度L為2微米，U形結(jié)構(gòu)的底部的線寬m為0.3微米；U形結(jié)構(gòu)底部與X軸夾角為θ，0°≤θ≤90°；金屬薄膜的厚度為35納米。圖1(d)是將U形結(jié)構(gòu)按周期p為4微米排列的示意圖。在上述尺寸條件下，整體高度h在1.5～2.3微米之間的U形結(jié)構(gòu)對應(yīng)著在中紅外波段1045～1520波數(shù)的電磁波吸收。如，h為1.5微米時(shí)，對應(yīng)頻率為1520波數(shù)的吸收峰；h為1.8 微米時(shí)，對應(yīng)1270波數(shù)的吸收峰；h為1.9微米時(shí)，對應(yīng)頻率為1220的電磁波吸收；h為2.3微米時(shí)，對應(yīng)1045波數(shù)的吸收峰。實(shí)施例中高度h取1.9微米。

進(jìn)一步的，也可以通過改變U形結(jié)構(gòu)的周期分布和幾何尺寸，將電磁波的吸收波段擴(kuò)展到多個(gè)其它波段，其中，幾何尺寸指U形結(jié)構(gòu)的整體高度及底部尺寸等，但幾何尺寸起主要作用的是U形結(jié)構(gòu)的整體高度。

此外，在保持U形結(jié)構(gòu)的周期分布和幾何尺寸不變的情況下，還可以通過改變U形結(jié)構(gòu)與X軸的夾角實(shí)現(xiàn)灰度編碼顯示或二值編碼顯示，即，各U形結(jié)構(gòu)支撐模型底部取向可根據(jù)編碼需求設(shè)計(jì)成與X軸成不同夾角，以實(shí)現(xiàn)某一頻率特定方向的偏振光入射后的全吸收、部分吸收、全反射現(xiàn)象，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)圖像的灰度編碼顯示或二值編碼顯示。

當(dāng)入射光偏振方向與U形結(jié)構(gòu)底邊平行時(shí)，在吸收頻率結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生面電流振蕩，使得反射率基本為零，吸收率接近100％；當(dāng)入射光偏振方向與U形結(jié)構(gòu)底邊垂直時(shí)，結(jié)構(gòu)中無振蕩電流產(chǎn)生，入射光幾乎全反射，反射率接近100％；更一般地，當(dāng)入射光偏振方向與U形結(jié)構(gòu)底部夾角為θ時(shí)，反射率可表示為R＝1-A₀cos²(θ)，式中A₀為最大吸收強(qiáng)度。若設(shè)計(jì)兩個(gè)U形結(jié)構(gòu)互相垂直交叉站立，呈十字型排布時(shí)，無論入射光偏振方向如何，在結(jié)構(gòu)中均可產(chǎn)生面電流振蕩，所以反射率基本為零，吸收率接近100％。

實(shí)施例中所公開的三維超構(gòu)材料，可利用飛秒脈沖雙光子激光直寫技術(shù)在介質(zhì)襯底上制備U形結(jié)構(gòu)陣列，介質(zhì)襯底可以采用玻璃片或其它透明介質(zhì)，如石英。

具體方法如圖4所示：首先在玻璃片襯底上均勻涂一層光刻膠，利用光學(xué)顯微系統(tǒng)將激光焦點(diǎn)匯聚在光刻膠內(nèi)；固定激光焦點(diǎn)位置，通過控制平移臺(tái)的移動(dòng)，使得激光焦點(diǎn)在光刻膠內(nèi)的相對位置發(fā)生變化，同時(shí)在焦點(diǎn)處光刻膠的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，以形成編碼所需要的多個(gè)周期性分布的U形結(jié)構(gòu)支撐模型；激光直寫完畢后，利用顯影液進(jìn)行顯影后得到多個(gè)周期性分布的U形結(jié)構(gòu)支撐模型；最后在U形結(jié)構(gòu)支撐模型和玻璃襯底的表面鍍上一層35納米厚的均勻金屬薄膜。金屬薄膜可采用銀膜、金膜或合金膜等貴金屬材料。

如圖1(b)所示，入射光沿X方向偏振，通過模擬得到的不同θ角的U形結(jié)構(gòu)單元的反射譜線，采用的是具有圖1(a)實(shí)施例中的U形結(jié)構(gòu)，即整體高度為1.9微米，周期p為4微米，金屬膜厚度為35納米的超構(gòu)材料。從圖中可以看到，共振峰處的反射率隨著θ的增大而增大。

如圖1(c)所示，U形結(jié)構(gòu)的底部取向X方向，即θ角為0°時(shí)的U形結(jié)構(gòu)的模擬反射和透射譜。從圖中可以看到，該結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的陣列在共振頻率對X偏振入射光全吸收，對Y偏振入射光全反射；且無論X或Y偏振入射光的透射率均接近于0。

據(jù)此，基于本發(fā)明所公開的三維超構(gòu)材料可實(shí)現(xiàn)灰度編碼顯示，即，當(dāng)某偏振方向電磁波入射時(shí)，可根據(jù)需求對圖像中各像素點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的θ角度以進(jìn)行圖像的灰度顯示。定義入射光偏振方向與U形結(jié)構(gòu)底邊夾角為θ，那么每種灰度對應(yīng)一定θ角度的U形結(jié)構(gòu)。利用這些單元對成像區(qū)域不同位置進(jìn)行編碼，當(dāng)一定頻率特定偏振電磁波正入射時(shí)，不同θ角度的U形結(jié)構(gòu)單元對電磁波的反射率不同(R＝1-A₀cos²(θ))，從而呈現(xiàn)出由多種灰度構(gòu)成的圖像。在上述灰度編碼顯示中，θ＝0°時(shí)結(jié)構(gòu)單元反射率最低(全吸收)，θ＝90°時(shí)結(jié)構(gòu)單元反射率最高(全反射)。把全吸收和全反射態(tài)分別定義為“暗”、“亮”態(tài)，那么利用灰度顯示中兩種特殊取向的U形結(jié)構(gòu)單元可以實(shí)現(xiàn)圖像的二值圖像的編碼與顯示。

具體的，假定各U形結(jié)構(gòu)的整體高度一致，底部根據(jù)圖像顏色顯示的需要，與X軸的θ夾角有多種。對應(yīng)一種灰度的U形結(jié)構(gòu)單元底邊與X軸夾角為θ_i，入射光沿X方向偏振。在光譜中吸收峰處，反射率(亮度)與角θ_i的關(guān)系為R_θi＝1-A₀cos²(θ_i)式中A₀為最大吸收強(qiáng)度。此式與模擬結(jié)果圖1(b)一致。從此式可得θ＝90°時(shí)反射率達(dá)到最大，且通過改變?chǔ)?，像素點(diǎn)的亮度可以連續(xù)調(diào)節(jié)。因此，當(dāng)入射光偏振狀態(tài)確定時(shí)，改變U形結(jié)構(gòu)單元的底部取向可以獲得不同反射強(qiáng)度的像素點(diǎn)，對應(yīng)不同灰度。

在實(shí)際應(yīng)用中，這種灰度編碼顯示可用于制作圖像的黑白灰照片，也可用于區(qū)分顯示同一圖像中的不同區(qū)域。

圖2中(a)是實(shí)驗(yàn)制備馬里奧樣品的掃描電鏡照片，樣品區(qū)域大小為800微米*800微米。該樣品共包括四種像素，對應(yīng)圖1(a)中θ＝0°、30°、60°、90°的U形結(jié)構(gòu)單元，其中0°為最暗態(tài)，90°為最亮態(tài)，U形臂高度1.9微米，吸收頻率對應(yīng)波數(shù)1220。入射光沿X方向偏振，利用焦平面陣列探測器收集反射信號(hào)并在1200-1300波數(shù)區(qū)間內(nèi)對反射信號(hào)積分，最終成像如圖2(b)。從圖中可看出圖像由4種像素點(diǎn)構(gòu)成，對應(yīng)4種灰度。理論上，利用該編碼方法可以實(shí)現(xiàn)更多的灰階顯示，本實(shí)施例中僅以四個(gè)角度的結(jié)構(gòu)單元實(shí)現(xiàn)四種顯示為例進(jìn)行討論。

結(jié)合上述分析看，對于U形結(jié)構(gòu)單元，當(dāng)入射光偏振方向與底部平行，即θ＝0°時(shí)，在吸收頻率結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生面電流振蕩，電磁波幾乎全吸收，定義為“暗”態(tài)；當(dāng)入射光偏振與底邊垂直，即θ＝90°時(shí)，電磁波幾乎全反射，定義為“亮”態(tài)；。該結(jié)果與圖1(c)所得一致。故，還可以利用上述結(jié)構(gòu)單元中的兩種特殊取向的U形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)二值圖像的編碼與顯示。

本發(fā)明公開另一種實(shí)施例，采用三類像素點(diǎn)來用于二值編碼與顯示，分別是：底部沿X方向的U形結(jié)構(gòu)單元、底部沿Y方向的U形結(jié)構(gòu)單元、底部沿X方向和底部沿Y方向互相垂直交叉站立(即呈十字型結(jié)構(gòu)的U形結(jié)構(gòu)單元)；U形結(jié)構(gòu)的整體高度為1.9微米，吸收頻率對應(yīng)波數(shù)1220。這三類像素點(diǎn)在X、Y偏振電磁波入射下均只可能處在“亮”或“暗”態(tài)，此即二值。

利用這三類像素點(diǎn)對成像區(qū)域編碼：兩圖像重疊區(qū)域由十字型像素點(diǎn)構(gòu)成，兩圖像余下區(qū)域分別由X像素點(diǎn)和Y像素點(diǎn)構(gòu)成。當(dāng)沿X方向或沿Y方向的偏振電磁波正入射時(shí)，每個(gè)像素點(diǎn)僅有“暗”、“亮”兩態(tài)，三維超構(gòu)材料根據(jù)事先編碼呈現(xiàn)不同的圖像顯示。

如圖3所示，以大寫字母“A”、“B”成像為例。圖3中(a)、(b)，制備時(shí)，字母“A”、“B”的重疊區(qū)域?yàn)槌适中徒Y(jié)構(gòu)的U形結(jié)構(gòu)單元，字母“A”余下區(qū)域?yàn)榈撞垦豖方向的U形結(jié)構(gòu)單元，字母“B”的余下區(qū)域?yàn)榈撞垦豗方向的U形結(jié)構(gòu)單元。

圖3中(c)(d)分別是X和Y偏振入射光照射下的焦平面陣列圖像，反射信號(hào)積分區(qū)間為1200-1300波數(shù)，箭頭代表入射光偏振方向?？梢钥吹?，當(dāng)入射電磁波沿X、Y方向偏振時(shí)，像素點(diǎn)處于“亮”或“暗”態(tài)，整體分別呈現(xiàn)字母“A”，“B”，以此實(shí)現(xiàn)了大寫字母“A”、“B”的二值編碼與顯示。

以上實(shí)施例中均是固定了U形結(jié)構(gòu)的高度進(jìn)行描述，在實(shí)際應(yīng)用中，并不需要一定固定U形結(jié)構(gòu)的高度，只要在其合理范圍，如圖1(a)中的周期和U形結(jié)構(gòu)尺寸，其高度可根據(jù)需要在1.5～2.3微米范圍內(nèi)任意選取，從而實(shí)現(xiàn)對不同頻率的入射光的選擇性吸收。并且，也可根據(jù)編碼需要，在同一圖像或同一塊材料中設(shè)計(jì)有不同高度和不同底部取向的U形結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)灰度編碼和顯示及二值編碼和顯示。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。