刚柔并济双层膜,机械拉伸显神通——结构参数可任意调控的复合光栅

光是自然界中普遍存在的物质之一,是信息传播的媒介,它帮助人们对亿万光年以外的星球进行观测研究。同时,正是因为可见光的存在,我们的世界才五彩斑斓,绚丽多姿。当然,光也并非神秘莫测,它的本质是电磁波,而可见光是特定波段的电磁波。近现代以来,随着科技的发展,人类逐步实现了对电磁波传输的精确操控,这是信息时代的基础。电磁波的操控有多种方式,光学结构是最早,也是最常见的调控电磁波或者光传播的媒介。比如著名的牛顿棱镜分光实验,就是巧妙地用一个玻璃三棱柱使一束白光变为多束彩色光。这本质上是因为三棱柱可以使穿过其中的光发生多次折射,而白光本身包含多种不同波长的光,波长不同的光穿过同一介质时折射率不同,因而在三棱柱面上的出射角度不同,最终实现了分光。这个简单的实验意味着人们可以通过光学结构来操控光的传播。越是复杂有序的光学结构,对光传播的操控就越精细,这种复杂有序的光学结构就是光栅。

光栅是当今信息时代的关键器件,在信息传输、存储等多个领域都有广泛的应用。传统光栅的制备主要基于光刻、纳米压印等复杂而昂贵的技术,并且大多数光栅是刚性的,一旦制备完成,所有的结构参数就固定了下来,该类光栅对光传播的调控能力也随之被确定下来,其应用领域自然也被固定了下来。这一特性限制了光栅的应用广度和灵活性。另外,传统的刚性光栅很难应用于柔性器件领域。

有鉴于此,中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所李立强研究员课题组采用刚柔双层膜制备出了正交复合的正弦和矩形光栅。其制备过程如下:PDMS薄膜在等离子处理下,表面会形成一层固化层(SiOx),这层固化层与PDMS基底层共同构成刚柔双层膜。该双层膜中,柔性的PDMS基底可被任意拉伸,而固化层(SiOx)不可被拉伸。在严格控制拉伸力度和速度的前提下,SiOx 层会在垂直拉伸方向上形成平行等宽的裂纹和平行等宽的SiOx条纹,条纹之间的沟槽构成矩形光栅结构;随着拉伸量的增加,SiOx条纹在垂直拉伸的方向被挤压,出现正弦褶皱,形成正弦光栅结构。基于上述工艺,可制备一种由正弦结构和矩形结构(裂纹阵列)构成的复合光栅。

这类光栅最大的特点是:结构参数可以在机械拉伸下按需调控。例如,正弦结构的振幅在0 到3 μm之间,正弦结构周期在13到16 μm之间,沟槽(裂纹)间距在0到20 μm之间可任意调制。所有结构参数的调制,只需在0 % 和50 % 的拉伸区间内调控拉伸量即可实现,如图a所示。结构的可调节性赋予该复合光栅独特的可调节的光学操控能力,如图b所示。另外,该类光栅在拉伸状态下经过电子束辐照处理,会显示出记忆特性。该特性使得该类光栅拥有存储信息的能力,如图c,d所示。

本工作在线发表在Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.201801017) 上, 第一作者是中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所在读博士生孟彦成。