基于超薄金属不对称FP腔的无油墨彩色印刷

彩色印刷技术近年来发展迅速,在不到40年的时间里它就从使用墨带的针式打印机发展成可以打印三维彩色物体的3D打印机。传统的全彩印刷主要通过使用能表现不同颜色的颜料(CMYK或RGB颜色方案)进行逐步套印来实现,但许多颜料对环境和人体健康具有一定的危害,而且颜料中的有机分子或离子会和空气中的一些化学成分发生化合作用出现褪色现象。为了克服颜料的这些弊端,近年来越来越多的研究人员探索利用结构色来呈现色彩。结构色是由于物体表面微纳结构的存在对光产生了反射、衍射、干涉等物理作用产生的颜色,是一种无须用染料、颜料着色就能产生的颜色。结构色在自然界中很常见,例如蝴蝶翅膀上的斑斓色彩是鳞粉上排列整齐的微纳米结构选择性反射白光中某一波长颜色的结果;彩虹现象是由于光在微细液滴的作用下发生了色散作用;人们看到的蓝天是太阳光进入大气层时波长较短的光受到尘埃的作用发生了散射的结果。结构色的产生完全取决于物体的微观结构,而与其化学组成无关,因此我们可以通过无毒且化学性质稳定的物质来产生色彩。

近期,湖南大学段辉高研究团队基于薄膜干涉原理设计了一种新型的不对称Fabry-Perot (FP)腔结构实现了无油墨的全彩印刷。薄膜干涉是常见的实现结构色的途径,肥皂泡以及水上的油膜呈现出的色彩都是由于薄膜干涉导致的结构色,这些现象的产生原因是由于薄膜上下表面的具有一定光程差的反射光在上表面发生了干涉。该团队设计的不对称FP腔是一种典型的薄膜干涉体系,但与传统的FP腔又有所不同:传统的FP腔上下都是高反射率的金属,不能吸收光,一般用来做透射式的滤波器,而这里设计的不对称FP腔则是使用一层超薄且具有损耗的金属Ni作为吸收层来吸收特定波长的光来得到具有高对比度的反射色。

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具体来说,该不对称FP腔具有三层结构,底层是具有光学厚度和高反射率的金属Al,用以阻止光的透射作反射镜,中间的介电层是无损耗的SiO2,其厚度决定了两束反射光的光程差和光线的干涉程度,顶层为厚度为6 nm 的金属Ni,用来作吸收层。当两束分别从Ni/Air界面和SiO2/Al界面反射的反射光相遇时发生相消干涉,不同波长的光在不同程度上被Ni吸收,未被吸收的光(对应于反射峰处的波长)就表现出人眼看到的颜色。通过改变SiO2的厚度,可以实现反射峰的峰位在整个可见光范围内连续可调,从而可以产生多种具有高饱和度和亮度的颜色。同时结合灰度曝光及计算机图形学等技术,基于该不对称FP腔该研究团队可靠实现了分辨率高达50000 dpi的彩色图形的单片集成全彩印刷。他们通过在不同区域设置不同的曝光剂量来可靠控制FP腔的厚度,通过单次沉积超薄金属就可以一次性得到全彩图形而不需要套印。据悉,该技术有望广泛应用在微缩图形防伪、绿色印刷、智能变色等领域,成为将来发展干涉彩色印刷方法的基础。相关研究成果近日刊登在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201600110)上。