本發(fā)明屬于光電信息功能器件與材料制備技術領域，具體涉及一種用于多頻率的二值顯示和編碼的結構及制備方法。

背景技術：

二值顯示與編碼在通訊、計算等方面有著重大應用。過去利用人工微結構和超構材料設計的二值顯示與編碼材料，都是基于二維結構來實現的，而由于其可編碼自由度少，靈活程度受到限制，故需要一種新的三維結構設計來增加維度，增加可編碼自由度，從而使得功能更加集成。

技術實現要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提出一種新型的三維超構材料及其制備方法，以及采用該三維超構材料的二值顯示與編碼器件及方法，通過維度的增加，可編碼自由度增加，使得功能更加集成。

可以在不同頻率不同偏振實現對入射電磁波的選擇性吸收，從而實現多頻率的二值成像。

本發(fā)明公開一種用于二值顯示和編碼的三維超構材料，具有多個周期性分布的像素點結構單元，每個像素點結構單元包括至少兩個U形結構；像素點結構單元中的U形結構根據編碼需要成不同的排布，且相鄰U形結構的臂相互獨立不接觸；U形結構由兩臂及連接兩臂的底部構成，其中，兩臂與Z軸同向，底部與X軸或Y軸同向，且沿Z軸方向的高度至少有兩種；周期是指的相鄰像素點結構單元之間的距離。

進一步的，每個U形結構代表一種圖像的一個像素點，各像素點結構單元中相應位置的像素點共同組成該圖像；其中，所述像素點結構單元中的至少兩個U形結構的底部均與X軸或Y軸同向，且各U形結構的高度不同；或者至少一個U形結構的底部與X軸同向，且與X軸或Y軸同向的各U形結構的高度不同。

進一步的，周期為4±0.5微米；所述U形結構的整體高度在1.5-2.3微米之間，底部的高度為0.7±0.1微米，底部的長度2±0.2微米。

進一步的，U形結構的線寬為0.3±0.05微米。

進一步的，三維超構材料的厚度為40±5納米。

本發(fā)明還公開一種基于微納結構的二值顯示與編碼的三維超構材料的制備方法，其步驟包括：在涂有光刻膠的介質襯底上利用顯影液進行顯影后呈現多個周期性分布的像素點結構單元支撐模型；再在像素點結構單元支撐模型和襯底表面鍍一層均勻覆蓋的金屬薄膜，從而制備出具有上述公開特點的用于二值顯示與編碼的三維超構材料。

進一步的，金屬薄膜是銀膜、金膜或合金膜。

進一步的，金屬薄膜，即三維超構材料的厚度為40±5納米。

基于具有上述公開特點的用于二值顯示與編碼的三維超構材料，本發(fā)明還公開一種二值顯示與編碼方法，通過改變像素點結構單元中U形結構的高度實現對不同頻率入射光的選擇性吸收，通過改變像素點結構單元中U形結構的底部的X軸或Y軸取向實現在不同偏振對入射光的選擇性吸收。

進一步的，通過改變像素點結構單元的周期和像素點結構單元中U形結構的尺寸可以調整可吸收的入射光的頻率范圍。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)通過本發(fā)明所公開的三維超構材料，具有像素點結構單元陣列構造的連續(xù)金屬表面，通過改變像素點結構單元中的U形結構的高度和底部取向，在不同頻率不同偏振實現對入射電磁波的選擇性吸收，從而制備多頻率的二值成像點。

(2)相較于現有的平面超構材料，其超構表面大多是基于平面金屬結構的幾何差異來調控電磁波，本發(fā)明所公開的三維超構材料引入了額外的編碼自由度，即改變金屬結構的高度，實現振蕩頻率的改變，從而可以調控電磁波的物理性質，使得功能更加集成。

(3)通過設計特定的像素點結構單元可以使超構材料對于不同偏振狀態(tài)的入射電磁波實現全反射或全吸收，該特點是常規(guī)材料很難達到的。

(4)本發(fā)明所公開的制備三維超構材料的方法中，對金屬薄膜下方的介質襯底的襯底性質基本無要求；且制備方法通過現有技術可以實現，如飛秒脈沖雙光子激光直寫技術、顯影液顯影技術、金屬鍍膜技術等，且制備工藝簡單，設計靈活，可擴展性強。

附圖說明

圖1是像素點結構單元中的U形結構示意圖。

圖2是由兩個不同高度垂直交叉站立的U形結構組成的結構單元的二值顯示與編碼的實驗圖。

圖2中(a)是兩個垂直交叉站立的U形結構組成的結構單元的示意圖。

圖2中(b)是兩個垂直交叉站立的U形結構重復單元P(h₁,h₂)實驗測得的反射譜，P(h₁,h₂)單元中對應底部取向為X方向的U形結構高度為h₁，底部取向為Y方向的U形結構高度為h₂。

圖2中(c)、(d)是兩個垂直交叉站立的U形結構重復單元按周期排列制備的樣品“C”“D”的掃描電子顯微鏡照片。

圖2中(e)、(f)分別是X和Y偏振方向入射光下的焦平面陣列圖像，積分區(qū)間為1220-1320波數，箭頭方向代表入射光偏振方向。

圖3是由4個不同高度的U形結構首尾相連排成的正方形結構單元的顯示與編碼的實驗圖。

圖3中(a)是4個不同高度的U形結構首尾相連排成正方形結構單元的示意圖。

圖3中(b)是圖3中(a)結構單元的正視圖。

圖3中(c)、(d)是由4個不同高度的U形結構首尾相連排成的正方形結構單元按周期排列制備的樣品“E”“F”“G”“H”的掃描電子顯微鏡照片。

圖3中(e)、(f)分別是X和Y偏振方向入射光下的焦平面陣列圖像，積分區(qū)間為1000-1100波數，箭頭方向代表入射光偏振方向。

圖3中(g)、(h)分別是X和Y偏振方向入射光下的焦平面陣列圖像，積分區(qū)間為1200-1300波數。

圖4是基于三維U形結構單元的多頻率的二值顯示與編碼的制備方法的流程圖。

示意圖中的標號說明：

1.金屬薄膜、2.介質襯底、3.表面覆蓋有金屬層的兩個垂直交叉站立的U形結構組成的像素點結構單元中X方向U形結構、4.兩個垂直交叉站立的U形結構組成的像素點結構單元中Y方向U形結構、5.U形結構底部、6.負責第一通道編碼和顯示的U形結構、7.負責第二通道編碼和顯示的U形結構、8.負責第三通道編碼和顯示的U形結構、9.負責第四通道編碼和顯示的U形結構。

具體實施方式

本發(fā)明所公開的新型三維超構材料，即具有多個周期性分布的像素點結構單元，每個像素點結構單元包括至少兩個U形結構的金屬薄膜材料。像素點結構單元中的U形結構根據編碼需要成不同的排布，且相鄰U形結構的臂相互獨立不接觸；U形結構由兩臂及連接兩臂的底部構成，其中，兩臂與Z軸同向，底部與X軸或Y軸同向，且沿Z軸方向的高度至少有兩種；周期是指的相鄰像素點結構單元之間的距離。

基于這種結構的新型三維超構材料，是通過改變像素點結構單元中U形結構的高度實現對不同頻率入射光的選擇性吸收，通過改變像素點結構單元中U形結構的底部的X軸或Y軸取向實現在不同偏振對入射光的選擇性吸收。還可通過改變像素點結構單元的周期和像素點結構單元中U形結構的尺寸來調整可吸收的入射光的頻率范圍。

根據編碼和顯示需求，每個像素點結構單元中的不同U形結構可以代表不同圖像的一個像素點，各像素點結構單元中對應位置的像素點共同組成一個對應圖像；每個像素點結構單元中的不同U形結構也可以代表相同圖像的一個像素點，這些像素點共同組成一個對應圖像。本專利的實施例針對前種情況進行示例描述。具體如下：

每個像素點結構單元中的不同U形結構代表不同圖像的一個像素點，各像素點結構單元中對應位置的像素點共同組成一個對應圖像；可見，像素點結構單元中U形結構的數目代表了該超構材料可顯示的圖像數目。

U形結構由兩條垂直向上且高度相等的臂和一條連接兩條臂的底部構成；以空間三維坐標系(X，Y，Z)為基準，其中，所有U形結構的兩臂與Z軸同向，各U形結構的底部與X軸或Y軸同向。如圖1所示，實施例中U形結構的整體高度h在1.5-2.3微米之間，底部的高度d為0.7±0.1微米，底部的長度L為2±0.2微米；U形結構的線寬m為0.3±0.05微米，即，底部和U形臂的線寬為0.3±0.05微米。

新型超構材料中各像素點結構單元的U形結構沿Z軸方向至少具有兩種高度，在兩個垂直方向上由于U形結構的高度不同，其吸收頻率明顯不同，且對應的波數也有一定差異，如，X方向高度h₁為2.3微米的U形結構對應1045波數的吸收峰，Y方向高度h₂為1.8微米的U形結構對應1270波數的吸收峰。

相應的，同一頻率的入射光可對應X軸和Y軸兩個偏振方向，即X偏振光和Y偏振光。當入射光偏振方向與U形結構底邊平行時，在吸收頻率結構中產生面電流振蕩，使得反射率基本為零，吸收率接近100％(吸收率＝100％-反射率-透射率)；當入射光偏振方向與U形結構底邊垂直時，結構中無振蕩電流產生，入射光幾乎全反射，反射率接近100％。對于U形結構單元，當入射光偏振方向與底邊平行時，在吸收頻率結構中產生面電流振蕩，電磁波幾乎全吸收，定義為“暗”態(tài)；當入射光偏振與底邊垂直時，電磁波幾乎全反射，定義為“亮”態(tài)。故，某一頻率的X偏振光被超構材料中各像素點結構單元的對應高度且沿X軸方向的U形結構吸收變暗，顯示該位置U形結構所對應的圖像；同理，某一頻率的Y偏振光被對應高度的且沿Y軸方向的U形結構吸收變暗，顯示該位置U形結構所對應的圖像。

故，基于上述新型超構材料進行二值編碼，通過改變像素點結構單元中U形結構的高度實現對不同頻率入射光的選擇性吸收，通過改變像素點結構單元中U形結構的底部的不同取向實現在不同偏振對入射光的選擇性吸收，從而達到編碼與顯示二值圖像的目的。

為了更了解本發(fā)明的技術內容，特舉具體實施例并配合所附圖式說明如下。

實施例1：如圖2中(a)所示，利用兩個垂直交叉站立的U形結構組成的像素點結構單元對圖像進行編碼，并把其用于二值顯示。通過將兩個圖像的像素點與兩個方向上的U形結構組成的像素點進行一一對應，通過將圖像中黑白兩種像素點與U形結構高度進行一一對應，從而實現了單一頻率兩個偏振的二值顯示與編碼。

該像素點的周期p為4微米，U形結構線寬m為0.3微米，底部高度d為0.7微米，底部長L為2微米。該像素點可用P(h₁,h₂)表示，P(h₁,h₂)單元中對應底部取向為X方向的U形結構高度為h₁微米，底部取向為Y方向的U形結構高度為h₂微米。

圖2中(b)是兩個垂直交叉站立的U形結構重復單元P(h₁,h₂)實驗測得的反射譜。在兩個垂直方向上由于U形結構的高度不同，其吸收頻率明顯不同，X方向高度h₁為2.3微米的U形結構對應1045波數的吸收峰，Y方向高度h₂為1.8微米的U形結構對應1270波數的吸收峰。

用像素點P(h₁,h₂)對圖像“C”、“D”進行編碼。高度為1.8微米U形結構對應圖像黑色像素點即顯示的圖像“C”、“D”，高度為2.3微米U形結構對應圖像白色像素點即背景圖像，在本例中，圖像C的像素點為P(1.8,2.3)，圖像D的像素點為P(2.3,1.8)，既有C又有D的像素點為P(1.8,1.8)，其他區(qū)域，即，既沒C又沒D的區(qū)域為P(2.3,2.3)。

圖2中(c)、(d)所示為根據上述構造像素點的原理制備的二值顯示與編碼的樣品的掃描電子顯微鏡照片。圖2中(e)、(f)分別是X和Y偏振方向入射光下的焦平面陣列圖像，由于結構的吸收頻率在1270波數附近，將波數對能量積分，從而呈現出二值圖像出來，積分區(qū)間為1220-1320波數?？梢钥吹?，當入射光分別沿X方向偏振和Y方向偏振時，分別呈現出字母“C”，“D”，實現對圖像的二值顯示與編碼。

實施例2：如圖3(a)、(b)所示，用各像素點結構單元中4個不同高度的U形結構首尾相連排成的正方形像素點對圖像進行多頻率的二值顯示與編碼。

該像素點的周期p為4微米，每個U形結構線寬m為0.3微米，底部高度d為0.7微米，底部長L為2微米。該像素點的4個U形結構對應二值顯示與編碼的四個通道CH₁，CH₂，CH₃，CH₄。通過調控4個U形結構的高度，可以將圖像“E”、“F”、“G”、“H”分別對應于四個通道CH₁、CH₂、CH₃、CH₄。在本例中，用像素點P(CH₁、CH₂、CH₃、CH₄)對圖像“E”、“F”、“G”、“H”進行編碼。圖像“E”“F”的像素點所對應的通道CH₁，CH₂的U形結構的高度為2.3微米，圖像“G”“H”的像素點所對應的通道CH₃，CH₄的U形結構的高度為1.9微米，其余部分的U形結構均為1.5微米即白色像素點區(qū)域，即“E”、“F”、“G”、“H”都沒有的區(qū)域。圖像“E”“F”“G”“H”對應的像素點分別為(2.3，1.5,1.5,1.5)、(1.5，2.3,1.5,1.5)、(1.5,1.5,1.9，1.5)、(1.5,1.5,1.5，1.9)；同理，“E”和“F”重疊部分的像素點為(2.3，2.3,1.5,1.5)，“G”和“H”重疊部分的像素點為(1.5,1.5,1.9，1.9)，“E”、“F”、“G”重疊部分的像素點為(2.3，2.3,1.9,1.5)，“E”、“F”、“G”、“H”重疊部分的像素點為(2.3，2.3,1.9,1.9)，其他區(qū)域的像素點為(1.5，1.5,1.5,1.5)，共有2⁴種像素點。

基于實施例2的設計，當與2.3微米高度對應頻率的X偏振光入射時，各像素點結構單元中對應的位置的U形結構吸收該入射光使得該像素點變暗，從而顯示出圖像“E”；該頻率入射光偏振旋轉90度，即成為Y偏振光，對應的顯示出圖像“F”；同理，1.9微米對應頻率的X偏振光被吸收后，顯示圖像“G”，1.9微米對應頻率的Y偏振光被吸收后，顯示圖像“H”。從而實現兩種頻率兩個偏振的二值顯示與編碼。

圖3中(c)、(d)所示為根據上述構造像素點的原理制備的多頻率的二值顯示與編碼的樣品的掃描電子顯微鏡照片。

圖3中(e)、(f)分別是X和Y偏振方向入射光下的焦平面陣列圖像，積分區(qū)間為1000-1100波數；圖3中(g)、(h)分別是X和Y偏振方向入射光下的焦平面陣列圖像，積分區(qū)間為1200-1300波數。

實施例3：作為本發(fā)明的改進，實施例2中的四個通道CH₁、CH₂、CH₃、CH₄也可根據編碼需求分別對應不同的高度，即設計四種不同的U形結構的高度，共有2⁴種像素點，通過不同頻率不同偏振方向的入射光顯示圖像“E”、“F”、“G”、“H”，以此實現四種頻率兩個偏振的二值顯示與編碼。

實施例4：圖4是本發(fā)明所公開的用于二值顯示和編碼的超構材料的制備方法流程圖。如圖3所示，包括以下步驟：

S1、在玻璃片襯底上涂一層光刻膠；

S2、利用光學顯微系統將飛秒激光焦點匯聚在光刻膠內；

S3、固定激光焦點位置，通過計算機控制壓電陶瓷臺的移動，使得激光焦點在光刻膠內的相對位置發(fā)生變化，在激光焦點處的光刻膠化學性質發(fā)生變化；

S4、將激光直寫完畢的結構利用顯影液進行顯影；

S5、在結構表面和襯底表面鍍上一層厚度均勻的金屬薄膜，這樣就制備得到了基于三維U形結構單元的多頻率的二值顯示與編碼樣品。

在該制備方法中，金屬膜優(yōu)先采用金、銀、合金等貴金屬制備；金屬薄膜的厚度可控制在40±5納米。

雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。通過改變結構周期以及結構尺寸，我們可以在不同波段實現類似的二值顯示與編碼。本發(fā)明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，當可作各種的更動與潤飾。因此，本發(fā)明的保護范圍當視權利要求書所界定者為準。