Изготовление схем оптической коммутации из структурных цветных микроволокон

Фон

Структурный цвет имеет много преимуществ перед пигментным (химическим) цветом. Например, он может быть экологически чистым и не подвергаться фотохимическому разложению. Кроме того, поскольку цвет меняется в зависимости от угла наблюдения, можно создавать различные узоры, которые невозможно получить с помощью обычных цветов пигмента. Эти атрибуты сделали структурные цвета очень интересными для тканей, красок, косметики, средств безопасности и датчиков [1,2,3,4,5,6,7]. Различные принципы окраски объясняют проявление структурного цвета, и недавние исследования показали, что наноструктуры оксида цинка (ZnO) выражают цвет за счет квазиупорядоченного рассеяния [8].

Квазиупорядоченное рассеяние определяется размером и расстоянием между наноструктурами и окрашивается, когда размер наноструктуры подобен, а расстояние постоянное. Хотя диффузное отражение считается основным принципом окраски квазиупорядоченного рассеяния, принцип точной окраски еще не выяснен, и в основном наблюдаются синий, зеленый и фиолетовый цвета [8].

Затравочный слой необходим для изготовления наноструктур ZnO. Гидротермальный рост происходит в области формирования семенного слоя, где также выражен структурный цвет [9,10,11,12,13,14]. Под гидротермальным ростом понимается синтез наноструктур в воде при 40–80 ° C. Следовательно, форма рисунка определяется областью посевного слоя. Для изготовления схем оптического переключения требуется затравочный слой из нановолокна, ориентированный в одном направлении. Для этого мы использовали электроспиннинг, который является наиболее часто используемым методом изготовления нановолокон [15,16,17,18]. Однако собранные электроспряденные нановолокна обычно выровнены случайным образом. Были проведены исследования по выравниванию нановолокон для минимизации суммарного крутящего момента электростатических сил, приложенных к концам волокна [19]. Таким образом, нановолокна могут быть выровнены в плавающем состоянии (нановолокна выровнены в воздухе между электродами), а выровненный затравочный слой может быть изготовлен путем переноса изготовленных нановолокон на целевую подложку. Чтобы получить микромасштабную проволочную схему без использования электропрядения, необходимо выполнить сложный процесс формирования рисунка с использованием фоторезиста, который не только сложно реализовать в массовом и крупномасштабном производстве, но и увеличивает стоимость процесса.

Изготовленный затравочный слой был сделан из нановолокон, имеющих определенные размеры, полученные путем гидротермального выращивания после термообработки. ZnO - очень подходящий материал для изготовления узоров из-за его высокого показателя преломления ( n =2.0034) и простота синтеза в различных формах. Предлагаемый в данном исследовании метод изготовления структурных цветных узоров с использованием ориентированных нановолокон ZnO может быть применен для создания визуальных узоров или в датчиках для обнаружения различных газов [20,21,22].

Экспериментальные методы

Материалы

Порошок поливинилпирролидона (PVP; марка AR, MB 1 300 000) был приобретен у Alfa Aesar. Раствор аммиака (сорт AR, 28,0–30,0% (моль / моль)), хлорид цинка (сорт AR) и гексагидрат нитрата цинка (сорт AR) были приобретены у Junsei Chemical Co., Ltd. Соляная кислота (сорт AR) и N , N -диметилформамид (DMF; сорт AR) был приобретен у Sigma-Aldrich. Все реагенты использовались в исходном виде и без дополнительной очистки.

Условия электропрядения

Электроспиннинг проводили при комнатной температуре и низкой влажности (относительная влажность 15–20%). Раствор в ДМФА 500 мМ Zn (NO ₃ ) ₂ и 0,2 г / мл ПВП (конечные концентрации) были приготовлены. Зазор между иглой и коллектором составлял 50 мм, приложенное напряжение составляло 6,5 кВ. Для получения ориентированных микропроволок были изготовлены параллельные алюминиевые электроды с размерами 3 см в ширину и 2 см в высоту. Нановолокна, собранные параллельно электрическим полем, переносились на целевую подложку (стеклянную или кремниевую пластину).

Изготовление наноструктур ZnO

Чтобы изготовить наноструктуру ZnO, которая демонстрирует структурный цвет, затравочный слой ZnO должен быть приготовлен путем термообработки (500 ° C) нановолокон, полученных на предыдущем этапе. Затем гидротермальный рост был использован для создания наноструктур на затравочном слое. Чтобы изготовить наноструктуры ZnO, ZnCl ₂ растворяли в деионизированной воде (DI) в концентрации 10 мМ и выдерживали при 40–80 ° C для инициирования реакции. Аммиак (NH ₄ OH) добавляли к этому водному раствору со скоростью 5 мкл / мл, образуя OH ^- и повышение pH раствора. В этой среде Zn ²⁺ ионы быстро осаждались из раствора, что приводило к зарождению и росту наноструктур ZnO. Чтобы вызвать синтез наноструктур с постоянной скоростью, реакцию проводили при pH> 10, и pH раствора снижался из-за реакции дегидратации. Гидротермальный рост может быть достигнут путем дальнейшего роста наноструктур после формирования рисунка.

Узор из микропроводов ZnO

Рост наноструктур можно регулировать с помощью литографии, чтобы изменить время, в течение которого затравочный слой подвергается воздействию реакционного раствора. В данном исследовании литография выполнялась с помощью малярного скотча. На малярной ленте был сформирован узор с помощью ножа для бумаги (Silhouette Cameo), чтобы придать ей нужные формы.

Характеристика

Морфологию наноструктур ZnO наблюдали с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на приборе TESCAN LYRA 3 XMH. Микропровода изучались с помощью оптического микроскопа (модель D800; Nikon), оснащенного цифровой камерой (модель LV-150; Nikon). В качестве источника света использовался белый светодиод.

Репликация шаблона с использованием PDMS

Готовая наноструктура ZnO используется в качестве эталонной формы для репликации. Репликация выполняется с использованием полидиметилсилоксана (PDMS), который отличается дешевизной, гибкостью и оптически прозрачностью. Сначала преполимерную основу смешивают с отвердителем в соотношении 10:1 и удаляют пузырьки в вакуумной камере на 1 час для удаления пузырьков. Залить мастер-форму и выдержать в течение 1 часа при 65 ° C в духовке, чтобы завершить процесс репликации.

Результаты и обсуждение

Выровненные нановолокна необходимы для создания схемы оптического переключения. Нановолокна, плавающие в воздухе, выравниваются с помощью параллельного коллектора, описанного выше, а затем переносятся на целевую подложку (рис. 1а). Выровненные нановолокна на целевой подложке затем подвергаются термообработке с использованием горячей плиты (500 ° C) для разложения полимерного компонента и образования тонкого затравочного слоя ZnO (рис. 1b). Этот слой может быть выращен гидротермально для получения желаемых структурных цветов, а часть, где происходит гидротермальный рост, может контролироваться путем создания рисунка в зоне реакции с использованием техники маскирования (рис. 1c). Затем окончательный узор получается путем удаления малярной ленты или может быть проведен дополнительный узор путем дополнительного формирования рисунка и гидротермального выращивания.

Схематическое изображение процесса изготовления структурной окраски ориентированного оксида цинка (ZnO). а Нановолокно электропрядения собирают в вертикальном направлении между параллельными электродами и переносят на целевую подложку. б Чтобы удалить полимерный компонент перенесенного нановолокна, проводят термообработку при 500 ° C с образованием затравочного слоя. c Формирование рисунка выполняется с помощью малярной ленты, а гидротермальный рост проводится в ванне с постоянной температурой. г Удаление малярной ленты завершает окончательный узор. (Дополнительная маскировка и гидротермальный рост позволяют создавать сложные модели)

На рис. 2 показан структурный цвет, полученный при изменении времени гидротермического роста микропроводов. По мере увеличения времени гидротермального роста толщина микропровода увеличивается, что приводит к изменению оптических свойств. На рис. 2а показано увеличение времени гидротермального роста слева направо на 2 минуты, а на нижнем изображении показан образец, выращенный в течение четырех дополнительных минут. Структурный цветной узор воспроизводился в течение заданного времени синтеза, а реакционная область была локализована с использованием метода маскировки. На рис. 2b показан образец, изготовленный для изготовления образца со случайным образом яркими структурными цветами. Для получения случайных цветов образец с затравочным слоем случайным образом погружали в гидротермальный ростовой раствор путем встряхивания образца или распыления гидротермального ростового раствора на субстрат. В результате получился случайный образец цвета без маскирующей линии. Нижнее изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, демонстрирует, что были изготовлены микропровода разных размеров с сегментами разного цвета.

а Изменение структурного цвета как функция времени синтеза. б Изображения нановолокон, полученные с помощью оптической и сканирующей электронной микроскопии, демонстрируют красивый структурный цветовой узор, достижимый с нановолокнами, изготовленными после рандомизированного времени синтеза

На рисунке 3 показано, как можно расширить методы, основанные на этом методе изготовления микропровода ZnO. Процесс создания структурной окраски с использованием микропровода ZnO не мешает массовому производству. Самый простой способ массового производства - использовать формы. На рисунках 3A и A ’показаны рисунки, полученные с использованием наноструктурированных рисунков ZnO на стеклянной подложке, и дублированные рисунки с использованием полидиметилсилоксана (PDMS), соответственно. В реплицированном образце с использованием PDMS форма наноструктуры ZnO воспроизводится без изменений в PDMS (наноструктура ZnO остается на исходной стеклянной подложке и не переносится на образец PDMS). Фиг. 3A представляет собой узор, сделанный на стекле, а фиг. 3A ’- рисунок, сделанный с помощью PDMS; оба были изготовлены на прозрачной подложке. Кроме того, фиг. 3A представляет собой оптическое изображение образца, который подвергался 10-кратной репликации. Это подтверждает, что шаблон хорошо изготовлен в процессе повторяющейся репликации. Таким образом, мы могли наблюдать структурный цвет, когда свет, идущий сзади, проникал в узор. Поскольку свет должен проходить через узор, прозрачная подложка должна освещаться сзади, но источник света, узор и обнаруживаемый детектор не должны располагаться на одной линии. Структурный цвет, наблюдаемый в дублированном образце, был аналогичным. На рис. 3В показан образец, который продемонстрировал структурное изменение цвета за счет дополнительного роста за счет ограничения части, которая должна быть выращена после создания структурного цвета. Цвета явно отличаются друг от друга. На фиг. 3B ’показан результат внимательного изучения части, обозначенной B 'на фиг. 3B, с помощью оптического микроскопа. Большинство нановолокон хорошо выровнены в вертикальном направлении. Четкие границы видны между внешней частью круга, окрашенной в желтый цвет, обозначенным буквой C, и внутренней частью круга зеленого цвета, обозначенным буквой D. На рис. 3C, D показаны изображения C и D, полученные с помощью SEM, соответственно. Дальнейший синтез привел к увеличению общего размера микропровода, но изменение размера каждой наноструктуры, составляющей микропровод, вызвало изменение структурного цвета. СЭМ-изображение показывает, что размер каждой наноструктуры также был увеличен, что вызывает квазиупорядоченное рассеяние.

а Структурный цветной узор ангела и узор продублирован 1 раз (A ’ ) и 10 раз (A ” ) с использованием полидиметилсилоксана. б Шаблон, для которого были получены два цвета путем изменения времени синтеза и ( b ’ ) изображение краевой части, наблюдаемое в оптический микроскоп. c , d Изображения нановолокон внешней и внутренней частей b ’, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа

Цвет конструкции меняется в зависимости от угла обзора. Наши структуры отображали эту особенность. Как отмечалось выше, видимый цвет прозрачной подложки отличается от цвета отражающей подложки. С прозрачной подложкой свет наблюдается через подложку, в то время как с отражающей подложкой свет отражается от подложки и наблюдается непосредственно нашими глазами. В обеих средах сохранилась характеристика изменения цвета в зависимости от угла наблюдения. На рис. 4а показан структурный цвет, нанесенный на отражающую подложку (кремниевую пластину), а на рис. 4b показан структурный цвет, нанесенный на прозрачную подложку (стекло). Видно, что структурный цвет менялся в зависимости от угла падения. Более того, не только цвет менялся с углом наблюдения, но и выравнивание нановолокон позволяло сделать узор более ярким или невидимым, просто изменив угол падения. Если свет падает параллельно направлению выравнивания нановолокон, они почти не отражают свет. С другой стороны, если свет падает перпендикулярно, он отражается во многих направлениях, что позволяет легко увидеть массив волокон (рис. 4c). В частности, свет, падающий в перпендикулярном направлении, падает на всю цилиндрическую часть поверхности волокна, что обеспечивает четкую видимость, поскольку он отражается в очень широком направлении. С другой стороны, свет, падающий в параллельном направлении, может отражаться только в ограниченном направлении, поэтому общее количество излучаемого света неизбежно невелико, что делает его невидимым.

Изменение цвета структурного рисунка в зависимости от угла падения на a отражающая подложка и b прозрачная подложка. c Влияние на видимость рисунка за счет ориентации падающего света относительно направления выравнивания нановолокон. Слева:перпендикулярно, справа:параллельно

Заключение

Мы изготовили схему оптического переключения с использованием упорядоченных структурных окрашивающих наноструктур. Изготовленные наноструктуры окрашиваются по принципу квазиупорядоченного рассеяния. Контроль времени реакции влияет на размер наноструктур и, следовательно, на наблюдаемые цвета. Мы также использовали электроспиннинг, который является наиболее распространенным методом изготовления нановолокон, чтобы сформировать выровненный затравочный слой для изготовления шаблона совмещения. Наш процесс изготовления очень гибкий, потому что процесс электропрядения, контролирующий положение и размер рисунка, и гидротермальный рост, контролирующий размер наноструктуры ZnO, можно модифицировать независимо. После завершения процесса узор может быть изменен путем дополнительного синтеза или травления, а завершенный узор может быть произведен в массовом порядке путем репликации с использованием PDMS. Могут быть созданы большие изменяющие цвет участки с рисунком, цвет которых меняется в зависимости от направления взгляда и направления светопропускания. Мы успешно изготовили схему оптического переключения, для которой картина была видна только с одной стороны, путем выравнивания нановолокон в одном направлении. Мы ожидаем, что наш метод создания выкройки найдет широкое применение в таких приложениях, как датчики газа и бирки для защиты от несанкционированного доступа.

Сокращения

DI:

Деионизированная вода

PDMS:

Полидиметилсилоксан

PVP:

Поливинилпирролидон

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

ZnO:

Оксид цинка