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資料提供:影像顯示科技知識平台 (DTKP, Display Technology
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整理:林晃巖教授、廖瑋珅 —
可撓式矽帶之顏色調控
許多感應器和顯示器產品對於能夠靈活地控制物體之被感知顏色的能力有強烈的需要。雖然這項功能可以藉由使用不同折射率之多層材料的干涉效應來達成,但是現在有一種方法可以避免使用厚的結構和不同顏色需要不同厚度的材料,也就是當一平面擁有可調多個顏色的功能,便會是備受歡迎的技術(圖一)。
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圖一 |
現在來自美國加州柏克萊大學的Li Zhu與其研究團隊已經將矽薄膜嵌入可撓式薄膜材料中,在實驗中展示從明亮的綠色調到明亮的橘色(Optica 2, 255–258; 2015)。此結果對於可撓式光學應用產品極具吸引力。
他們的方法是基於高對比超穎結構(high-contrast metastructures, HCMs)的設計,HCMs是由單層高折射率材料(single-layer high-refractive-index material)周圍環繞低折射率材料組合而成的週期性結構,且具有接近一個波長的週期性。他們的超穎結構由嵌入透明、可撓式聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane)薄膜的畫素(pixels)陣列組合而成(圖二(a))。而每一個畫素則是由約為一美元鈔票之千分之一至二厚度的矽薄膜帶(ribbons)所組成。不像傳統的方法,他們團隊使用相同厚度的色帶且為了不同的顏色只改變色帶的寬度,因此很容易達到在一相同平坦表面能夠顯示出不同的顏色。他們同時也設計了周期性結構,使其非常接近可見光波長,並且對於反射與穿透都只有兩個繞射階(diffraction orders)被允許(0階和1階)(圖二(b))。
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圖二、(a)HCM嵌入軟性薄膜之顏色顯示示意圖。顯示器圖案是由顏色設計過的獨立畫素組成。畫素由一個奈米尺度的HCM組成,其非常柔軟且堅固。(b)一維HCM示意圖。光學特性主要由下列三個關鍵參數決定:週期Λ、厚度tg、還有占空比(duty cycle) η = s/Λ,其中s是高折射率條狀物的寬度。在兩階繞射機制中,入射光被繞射成四個可能的階數R−1, R0, T−1和T0。 |
研究團隊解釋,由於矽帶(ribbons)和環繞介質間較大的折射率差,光波在表面反射引發干涉效應(interference effect)。因為折射率的差別,干涉效應的表現非常有效,使得可藉由矽帶的空隙及寬度決定鮮豔顏色的種類。利用拉伸薄膜改變矽帶的間隙,轉變建設性干涉發生的波長,因此可以改變表面的顏色。
Connie Chang-Hasnain教授說:「藉由仔細設計結構尺寸,固有模式(eigenmodes)的建設性干涉加強一部份繞射階,而破壞性干涉會抵消其他繞射階是可行的。因為結構具有較大的折射率差,較寬頻率的波段都可能發生此效應。」
研究人員在負1反射階得到83%繞射效率。實驗樣品的顏色可能被從綠色調到橘色(從541奈米到580奈米,即39奈米的波長改變量)藉由拉伸樣品僅僅5%的變形量,其對應到HCM週期僅25奈米的改變量。他們也展示雷射光束控制器(laser beam steering)藉由使用相同的效應便能擁有超過36個可解析的光束點(resolvable beam spots),然後他們證明入射雷射光束可以在不會有光束寬度衰減的情況下被控制超過5%形變。
Connie Chang-Hasnain教授說:「我們將會用二維結構的設計來使其不受繞射偏振(diffraction polarization)的影響,且解決在此結構下任何彎曲的問題。未來我們也會計劃使用一些機械性敏感材料用於生物影像(bio-imaging)和生物標籤(bio-labelling)等應用。」
參考資料: |
1. Rachel Won, Diffractive optics: Tuning colour in flexible silicon, Nature Photonics 9, 291 (2015)
doi:10.1038/nphoton.2015.70
http://www.nature.com/nphoton/journal/v9/n5/full/nphoton.2015.70.html
2. Li Zhu, Jonas Kapraun, James Ferrara, and Connie J. Chang-Hasnain,
Flexible photonic metastructures for tunable coloration, Optica Vol. 2, Issue 3, pp. 255-258 (2015)
doi: 10.1364/OPTICA.2.000255
https://www.osapublishing.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-2-3-255&id=312890 |
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