周期性微纳结构可以制造很多令人印象深刻的现象,很多生物就可以通过这种结构改变皮肤的颜色,例如,变色龙可以根据环境改变它们的颜色,甲虫有五颜六色的颜色,蝴蝶翅膀有明亮的颜色。受到自然界生物结构的启发,近些年,具有周期性微纳结构的颜色变化器件已经成为研究热点。光子晶体作为一种光学系统,不同于传统的颜色改变机理。其在微纳米尺寸上具有周期性结构。微纳结构与光的相互作用会造成复杂的干涉现象,并在其帮助下,光子晶体拥有一系列的独特的光学现象和性能。光子晶体的颜色与结构相关,因此,也把光子晶体的颜色称为结构色。通过特定的物理和化学方法,微纳结构和光的相互作用可以被影响,所以光子晶体的结构颜色可以被调控,可以显示更丰富的动态光学现象。这可以使光子晶体具有更加宽泛的应用,比如,动态显示,防伪,治疗和生物医药等。最近几十年里,通过光子晶体结构的调控技术来改变颜色,科学家已经探索出和实现的很多方法包括溶剂渗透,物理相变化,化学反应,机械调控,光学调控,热调控电致变色和磁调控等。在这些方法中,作为一种常见的方便的通用的信号,电信号被广泛地应用。毫无疑问的是,电致变色是更加有效地方式来调控光子晶体的结构来改变颜色。更多的努力是聚焦于光子晶体的性能,并取得一系列结果,包括增大颜色变化的范围,扩大设备顺应性,扩大颜色变化区域以及降低驱动电压。但是,电致变色技术仍然有一些限制。首先,可拉伸电致变色器件的颜色变化范围还是相当小,需要的电力调控还是大。第二,大多数电致变色器件使用刚性电极,与结构的服从性差,很难满足于结构和曲面形状的特殊需求。这些问题都限制了其在柔性显示,动态伪装,生物医药等领域的应用。因此,开发好的顺应性,宽的颜色变化范围和低电压驱动的电致变色器件被迫切需求。西安交通大学的研究人员开发出周期性结构的可拉伸光子晶体,并具有宽的颜色变化范围,小的杨氏模量和好的颜色变化稳定性。在拉伸过程中,其可以在可见光范围内造成180nm蓝移。另外,光子晶体是由单种材料组成的,具有结构简单,高度整合和易应用的特点。考虑到光子晶体的特点,一种形状记忆合金的复合结构(用于驱动)被用来在电场的作用下,使光子晶体变形,PDMS用于当撤销电场后,可以恢复到原来的形状。该器件在直流电压下,发生较大的变形,导致颜色变化。图1. 可拉伸光子晶体的颜色变化机理图
图2. (a)可拉伸光子晶体的制备过程;(b)可拉伸光子晶体在实际拉伸过程中的颜色变化;(c)-(e)光子晶体在拉伸过程中微观结构的变化;(f)可拉伸电致变色器件的制备过程;(g),(h)形状记忆合金的变化;(i)基于形状记忆合金的电致变色器件
图3. (a)在不同电压下,可拉伸电致变色器件的颜色变化示意图;(b)器件拉伸变形与反射光谱的关系;(c)在不同电压下,电致变色器件的的终点位移曲线;(d)在不同电压下,反射光谱的波长变化与与时间的曲线;(e)在1V的作用下,电致变色器件的颜色保持能力
P.Zhao, H. Chen, B. Li, et al. Stretchableelectrochromic devices enabled via shape memory alloy composites (SMAC) fordynamic camouflage. Optical Materials, 2019, 94:378-386.转发此篇文章请标明出处