Metamaterialien: optische Täuschungen der Strukturfarbe

Sie sagen, dass der Nano- und Mikrokosmos keine Farbe haben, weil die Partikelgröße kleiner als die Wellenlänge ist. Dementsprechend überwiegen die Welleneigenschaften von Licht wie Beugung und Interferenz gegenüber gewöhnlicher Absorption und Reflexion. Es gibt jedoch viele erstaunliche Beispiele in der Natur, wenn Farbe genau aufgrund von Mikrostrukturen gebildet wird, wie beispielsweise bei Schmetterlingen oder in Opalkristallen.

Wenn die Natur Millionen von Jahren der Evolution gebraucht hat, um die gesamte Vielfalt der Farben zu erzeugen, haben Materialwissenschaftler und Physiker in den letzten Jahrzehnten gelernt, Farben im Labor buchstäblich zu „synthetisieren“. Für die Errungenschaften der Wissenschaft auf dem Gebiet der Metamaterialien und Farben, aber farblosen Mikrostrukturen, willkommen bei cat!

Anstelle des Vorworts

Was ist Metamaterial? Ein Metamaterial ist ein solches Material, dessen Eigenschaften nicht so sehr durch die Eigenschaften seiner Bestandteile bestimmt werden, sondern in erster Linie durch die Art und Weise, wie diese Komponenten im Raum relativ zueinander angeordnet sind, dh durch künstlich erzeugte Periodizität.

Nachfolgend finden Sie eine Übersicht über drei meiner Meinung nach interessante Werke, die kürzlich in erstklassigen wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht wurden. Alle von ihnen widmen sich der Herstellung von Metamaterialien aus verschiedenen klassischen und exotischen Materialien.

Klassiker des Genres: Metallnanopartikel und Plasmonresonanz

Viele Metalle im nanodispersen Zustand (Read, Nanopartikel) haben die sogenannte Plasmonresonanz. Einfach ausgedrückt, die kollektiven Schwingungen einer „leichten“ Elektronenwolke in der Nähe eines „schweren“ Skeletts von Metallatomen unter dem Einfluss von Licht (oder einer anderen elektromagnetischen Welle). Ich habe hier mehr darüber geschrieben.

Diese Eigenschaft ist beispielsweise für Gold, Kupfer, Aluminium und Silber weithin bekannt und manifestiert sich in Form eines Peaks der resonanten Absorption von Licht. Wenn zwei oder mehr dieser Partikel in der Nähe sind, entsteht ein Effekt der gegenseitigen Beeinflussung, der sich in der Verschiebung der Peaks und dem Auftreten neuer Peaks äußert. Somit ist es möglich, die Wellenlänge der absorbierten Strahlung "einzustellen" und dementsprechend die Farbe der aus solchen Nanopartikeln bestehenden Struktur zu ändern.

Eine Gruppe chinesischer Wissenschaftler schlug zusammen mit ihren Kollegen aus der Schweiz vor, Silberscheiben, die durch ein Dielektrikum - Aluminiumoxid - getrennt sind, als Strukturblöcke zur Erzeugung von Metamaterialien zu verwenden.


(a) Schematische Darstellung von Silbernanoplatten auf der Oberfläche eines Substrats und Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle zwischen ihnen. (b) Bild einer realen Probe, erhalten durch Elektronenmikroskopie. (c) Die sogenannten Plasmonmoden einer einzelnen Nanoplatte

Plasmonpartikel haben für sich genommen ein zu breites Spektrum, um direkt zur Erzeugung „reiner“ Farben verwendet zu werden. Die Autoren gingen jedoch zu einem bestimmten Trick über und trennten die Plasmonscheiben mit einer Schicht aus dielektrischem Aluminiumoxid. Das Hauptprinzip, das dieser Idee zugrunde liegt, ist die Verwendung von Hybridmoden, die im Reflexionsmodus einen viel engeren Peak und im Transmissionsmodus eine vollständigere Absorption mit einer geeigneten Wahl von Radius und Periode aufweisen. Durch Anpassen der Größe und räumlichen Anordnung von Composite-Disks (z. B. des Packschritts) innerhalb des „Pixels“ des Bildes können Sie einen vollständigen Farbumfang erstellen: von Rot bis Blau-Violett.


Die erhaltenen Proben in reflektiertem (links) und durchgelassenem (rechts) Licht: Die erste Linie sind die optischen Fotografien der Proben, die zweite Linie sind die Simulationsdaten und die dritte Linie sind die experimentell erhaltenen Ergebnisse

Leider ist der Prozess der Erzeugung solcher Strukturen ziemlich mühsam und umfasst viele High-Tech-Stufen, wie z. B. Schicht-für-Schicht-Abscheidung, Elektronenstrahlstrukturierung und sogar Ionenätzen. Dennoch sind die Wissenschaftler zuversichtlich, dass diese Arbeit ein weiterer Schritt zur Schaffung einer Plattform für den Druck mit "strukturellen" Farben sowie von Standards für eine hochpräzise Farbwiedergabe sein wird.


Ein Beispiel für die Anwendung dieser Technologie: die Abkürzungen der beiden am Projekt beteiligten Universitäten, „gedruckt“ mit plasmonischen Tinten

Der Originalartikel „ Vollfarbenerzeugung mit Silber-Tandem-Nanodisks “ wurde in ACSNano ( DOI: 10.1021 / acsnano.6b08465 ) veröffentlicht.

Keine Metallpartikel und Oberflächen

Ein weiteres Beispiel für die Schaffung von Strukturfarben wurde von Wissenschaftlern des Harbin Institute of Technology und der Shanxi University demonstriert. Anstelle von Metallnanopartikeln schlugen sie die Verwendung von Titandioxid (TiO ₂ ) vor. Eines der Merkmale dieses Materials ist sein im Vergleich zu anderen Materialien relativ hoher Brechungsindex (> 2). Diese Eigenschaft von TiO ₂ wird beispielsweise häufig bei der Erzeugung von photonischen Kristallen ( eins und zwei ) verwendet.

Die Hauptidee besteht darin, die Interferenz des einfallenden und reflektierten Strahls zu verwenden, um die gewünschte Wellenlänge vom Spektrum zu isolieren, was der Struktur Farbe verleiht. Nach der Modellierung und Anpassung der Strukturparameter und der entsprechenden Resonanzmoden an den sichtbaren Teil des Spektrums konnten die Forscher die Farbe durch Ändern der Größe der Strukturelemente steuern.

Das vorgeschlagene Herstellungsverfahren für ein solches Metamaterial umfasst weniger technologisch komplexe Verfahren: Elektronenstrahllithographie zur Erzeugung eines Musters und Sprühen einer Titandioxidschicht aus der Gasphase, gefolgt von Auflösen und Entfernen des Fotolacks. Somit ist der Herstellungsprozess einfacher als bei den oben beschriebenen Silbernanodisks, für die diese Schritte mehrmals wiederholt werden.


Der Produktionsprozess von Metamaterial auf Basis von TiO ₂ . (a) Prozessdiagramm. (bc) Mikroskopische Aufnahmen der resultierenden Strukturen (geringe und hohe Vergrößerung, Skalenmarkierungen 100 Mikrometer bzw. 500 nm). (df) Empfangene Muster und ihre entsprechenden Farben (Skalenmarkierung - 1 Mikron)

Als Ergebnis wurden Proben erhalten, die einen wesentlichen Teil der Farbskala abdecken: Es gibt Blau-, Rot- und Grüntöne. Wenn wir den Vergleich mit Plasmonpartikeln fortsetzen, zeigten TiO2-basierte Metamaterialien eine breitere Abdeckung des Farbumfangs.


Reflexionsspektren und entsprechende Strukturfarben. (a) Simulierte und experimentell erhaltene Reflexionsspektren einer der Metastrukturen. (b) Berechnet (schwarz) und angepasst (rot) gemäß den CIE 1931-Standardfarben. (cd) Die Abhängigkeit der Farbe von der Periode der erhaltenen Struktur und dem Abstand zwischen benachbarten Pyramiden

Aber die Autoren der Arbeit hörten hier nicht auf. Um die Anwendbarkeit der Technologie für die Erstellung komplexer mehrfarbiger Bilder zu demonstrieren, haben sie das Wappen der Universität Harbin „gezeichnet“. In diesem Fall wurden verschiedene Farben und Schattierungen verwendet.


Ein Beispiel für die Erstellung eines Bildes aus TiO ₂ -Metastrukturen. (a) Mit dem Elektronenmikroskop aufgenommene mikroskopische Aufnahme. Bilder in reflektiertem (b) und durchgelassenem (c) Licht. (d) Bild in polarisiertem Licht. Skalenetikett - 159 Mikrometer

Der Originalartikel, Volldielektrischer Vollfarbdruck mit TiO ₂ -Metasoberflächen , ist in ACSNano ( DOI: 10.1021 / acsnano.7b00415 ) veröffentlicht.

Was ist mit gewöhnlichem Glas?

Das jüngste Beispiel für heute ist die Verwendung von gewöhnlichem Glas und nicht ganz gewöhnlicher Physik, um Metamaterialien und Strukturfarben zu erzeugen. Die Hauptidee dieser Arbeit ist, dass Sie mit dem "Master" -Stempel auf fast jeder transparenten Oberfläche, einschließlich Glas, drucken können. Unter einem solchen Stempel mit einem bestimmten Muster wird ein spezielles Gel gegossen, das unter dem Einfluss ultravioletter Strahlung aushärtet und sich in seinen Eigenschaften in ein glasähnliches Material verwandelt. Diese Methode wird als Nanoimprint-Lithographie bezeichnet.


Der Herstellungsprozess von Metamaterial. (a) Herstellung eines "Stempels" unter Verwendung von Elektronenstrahllithographie. (bd) Verschiedene Stufen des Prozesses der Nanoprinting-Lithographie, wodurch das Stempelmuster während der Polymerisation eines speziellen Gels auf glattes Glas "gedruckt" wird. (e) Eine optische Aufnahme des resultierenden Musters. (f) Profil des "gedruckten" Musters (die resultierenden Strukturen haben eine Breite von etwa 200 Mikrometern und eine Höhe von nur 50-60 Nanometern)

Die resultierenden Strukturen können unterschiedlichste Formen haben: gerade oder gekrümmte Linien, Hohlräume oder umgekehrt massive Ausbuchtungen. Wenn gerade Linien als Muster gewählt werden, erhalten wir das übliche Beugungsgitter, das auf dem KDPV dargestellt ist.

Wenn Sie jedoch mehrere ähnliche Strukturen zu einer kombinieren (z. B. mit einer anderen Periode, unterschiedlichen Streifendicken usw.) und sie sogar biegen, beginnt die unverständliche Magie der Physik zu wirken. Das in einigen Teilen der Struktur einfallende und absorbierte Licht wird im Inneren wie in einer optischen Faser übertragen und tritt in anderen Bereichen an die Oberfläche aus.


Fotos von zwei Glasproben, deren Muster „abgestimmt“ sind, zeigen unterschiedliche Farben (a) oder vollwertige Bilder (b). Wichtig! Unter anderen Bedingungen wie Beleuchtung, Betrachtungswinkel usw. ist das Bild nicht sichtbar (siehe Video)

Daher erscheinen Farben buchstäblich nur in bestimmten Bereichen und bei bestimmten Betrachtungswinkeln. Um den Effekt zu demonstrieren, haben die Autoren der Arbeit das entsprechende Video gepostet:

• Drei Farbpixel erscheinen nur in einem bestimmten Winkel zusammen (Video 5 auf der Website des Herausgebers und ein Spiegel auf Y.disk )
• Je nach Blickwinkel können sich zwei völlig unterschiedliche Objekte an derselben Stelle befinden (Video 6 auf der Website des Herausgebers und ein Spiegel auf Y.disk ).

Diese Technologie wird nach Ansicht der Autoren der Arbeit ihre Anwendung im Bereich der Sicherheit (zum Beispiel beim Schutz von Dokumenten und Daten) sowie bei der Erstellung von Displays für intelligente Brillen finden.

Der Originalartikel, Farbselektive und vielseitige Lichtsteuerung mit hochskalierbarer planarer Subwellenlängenoptik , ist in ACSPhotonics ( DOI: 10.1021 / acsphotonics.7b00232 ) veröffentlicht.

Anstelle einer Schlussfolgerung

In den letzten 10 bis 15 Jahren wurden im Bereich der Metamaterialien erhebliche Fortschritte erzielt. Wissenschaftler versuchen jedes Jahr, die physikalische Abstraktion einmal in die Entwicklung der Industrie einzubringen, Metamaterialien massiv zu machen und ihre eigene Nische für sie zu finden.

PS: Vergessen Sie nicht, sich anzumelden , und schreiben Sie über die Mängel, die im Text im LAN festgestellt wurden.