rude金属。
[0090] 图3是对于不同的金属，关于波长的介电函数的导数的实部对介电函数虚部的比 的平方的曲线图，n= |Re(De/DA)/im(e)|2。换句话说，q提供散射纳米颗粒中材料 的性能的估计，其中较高的数值表示较高的散射和/或较低的吸收。图3示出了现实金属 趋向于有损和在可见光谱中显著偏离Drude模型。在大部分可见光谱内，银在普通金属中 具有q= |此((1￡/1^)八111(￡)|2的最高值，并因此适合用于散射纳米颗粒。适合制造散 射纳米颗粒的其它材料包括但不限于金和铜。
[0091]如上所述，适合用于透明散射显示器的纳米颗粒应跨可见光谱具有均匀的低吸收 截面〇abs，以及在共振波长A。的高散射截面osra，在可见光谱中的别处具有低散射截面 。这些参数可以被用来定义下面的品质因数（F0M):
[0092]
[0093] 其中上划线和符号max{. ? ? }分别表示在可见光谱（390nm至750nm)中的平均值 和最大值。F0M被定义为比率，而不是按照颗粒的散射和吸收截面的绝对值定义，因为屏幕 的总散射和吸收可以通过拾取屏幕上的纳米颗粒的合适的面密度来设置。数值2是根据经 验确定的权重，其提供在最优化锐利散射和低吸收之间的良好平衡。（其他根据经验确定的 权重（例如，在1.5-2. 5的范围内的数值）也可以起作用。）并且使用最大吸收截面给出了 无色透明屏幕的平坦吸收光谱的F0M，而不是有色透明屏幕的达到峰值的吸收截面的F0M。 如期望，F0M可以调整以包括在散射和吸收截面上的波长相关的权重从而考虑人眼的光谱 灵敏度。
[0094] 长的曲线图，该球形纳米颗粒如期望，在方程（5)中定义的F0M可用于为给定的散 射波长、散射截面和吸收截面确定纳米颗粒的大小和组成。更具体地，可通过将散射和吸收 截面的米氏理论计算与非线性最优化引擎组合来数字地设计纳米颗粒，该非线性最优化引 擎使用适当的品质因数，诸如在方程（5)中给出的F0M。其它合适的品质因数可以被定义为 在特定的窄带区域上的平均散射截面除以跨整个可见光谱的平均消光截面，或通过将散射 截面的半最大值全宽度（FWHM)乘以整个可见光谱的平均消光截面的乘积最小化来定义。 基于品质因数的非线性最优化可以应用于任何材料、任何几何形状和其他类型的共振。此 基于F0M的最优化也可用于设计在可见光谱中具有多个散射截面的纳米颗粒，和/或具有 不同谱宽的散射截面的纳米颗粒。
[0095]图4A-图4C是球形纳米颗粒的散射截面（实线）和吸收截面（虚线）对波具有 由银制成的壳体和由使用上述非线性最优化流程生成的二氧化硅制成的核心。在图4A-图 4C的插图中所示的可以例如使用St6ber工艺合成的颗粒被假设嵌入在折射率n= 1. 44的 透明介质中，该透明介质通常是聚合物基质。以转移矩阵法使用二氧化硅的n= 1.45和银 的波长相关的复电容率的实验值，计算图4A-图4C所示的散射和吸收截面。粒度分布被假 设为遵循高斯分布，其中标准差等于平均值的约10%。通过经由例如在非线性最优化软件 包NLopt(可得自http: //ab-initio.mit.edu/wiki/index.php/NLopt)内实施的多级单连 算法执行全局最优化，使用来自方程（5)的F0M给出核心半径和壳厚度。
[0096] 图4A示出具有约1. 3nm半径的二氧化娃纳米球，其涂覆有30. 8nm厚的银壳并且 散射蓝色激光（A。=458nm)。图4B示出具有约22. 2nm半径的二氧化硅纳米球，其涂覆有 15. 8nm厚的银壳并且散射绿色激光（A。=532nm)。而图4C示出具有约34. 3nm半径的二 氧化硅纳米球，其涂覆有11. 〇nm厚的银壳并且散射红色激光（A。=640nm)。图4A、图4B 和图4C中峰值的FWHM分别是约66nm、约62nm和约69nm，并且F0M分别是1.0U0.91和 0. 81。即使在这些FWHM，承载图4A-图4C所示的任何纳米颗粒的透明基板是基本上透明 的，除了在一个或多个共振波长之外。
[0097]图5A和图5B分别是二氧化钛纳米壳和硅纳米壳的计算的散射和吸收截面，该二 氧化钛纳米壳散射在458nm的蓝色激光，该硅纳米壳散射在A。= 532nm的绿色激 光。该计算考虑到在壳厚度上的±10%的随机分布。（不受限于任何特定理论，准静态近 似不可准确描述这些纳米壳共振，因为纳米壳是相对大的。）
[0098]图5A中的二氧化钛纳米壳具有25. 5nm的内径、70.lnm的外径以及F0M= 1. 76。 图5B中的硅纳米壳具有43. 8nm的内径、68. 2nm的外径以及F0M= 1. 14。纳米壳的共振表 现出相对低的吸收损失，但折射率对比度应足够高到为共振提供足够的限制。在图5A和图 5B中，例如，纳米壳的核心和周围介质被假设为具有折射率n= 1。在实践中，核心和周围 介质可以包括低折射率材料，诸如具有高达60_的透射长度的透明气凝胶。
[0099] 图6是半径约115nm的硅纳米颗粒的散射截面的曲线图。散射截面在大致对应于 蓝、绿和红色的波长具有峰值。硅纳米颗粒也散射在电磁波谱的近红外部分中的光，但由于 人不能看到红外光，因此红外散射不可能影响显示器的性能。
[0100] 制造透明散射显示器
[0101] 图7A-图7C示出了用于制造具有散射纳米颗粒的屏幕以便用于透明散射显示器， 例如图1A和图2所示的透明散射显示器的不同工艺。纳米颗粒714可具有被选择以提供 在特定波长（例如，对应于红色，蓝色和绿色的波长）的散射的形状、大小和/或组成。纳 米颗粒714也可以用现有技术合成，包括但不限于湿化学气相沉积、物理气相沉积，离子注 入和纤维拉丝。如期望，纳米颗粒的外表面可以被处理（例如，用聚乙烯吡咯烷酮（PVP))， 以防止不希望的聚集（聚类，如下所述）、与基质（基板）材料的反应，或两者兼而有之。纳 米颗粒溶液可稀释以减小纳米颗粒浓度、改善涂层的沉积特性，或两者兼而有之。
[0102] 图7A所示的流程700涉及在溶解于水中的合适溶剂715诸如聚乙烯醇（PVA)中 溶解纳米颗粒714以形成纳米颗粒溶液（步骤702)。如期望，所述纳米颗粒溶液可与聚合 物粉末进行混合以形成聚合物/纳米颗粒溶液。可替代地，所述纳米颗粒也可以被溶解到 液体聚合物基质中，以形成沉积到透明基板712的一个表面上并被允许缓慢干燥的聚合物 /纳米颗粒溶液。
[0103]通过将纳米颗粒溶液沉积到基板的表面上，所述纳米颗粒可涂覆到透明基板712 上，该透明基板712可以由玻璃、塑料、丙烯酸树脂或任何其它合适的透明材料制成（步骤 704)。在厚度和表面外观上使涂层均匀可以减少或消除不希望的散射。为实现均匀的厚度， 所述纳米颗粒溶液可旋涂、喷涂或以其它方式沉积到基板的表面上以形成涂层。例如，所述 纳米颗粒溶液可以液体、泡沫、或喷雾的形式喷涂到基板上。此类喷涂可以喷雾到透明表面 上而不需要任何特殊的设施，并因此可以容易地在几乎任何场合进行。如期望，另一个透明 基板（未示出）可以被放置或压到第一基板712的涂覆表面上，以去除涂层中的气泡、降低 涂层的表面粗糙度，或两者兼而有之。该涂层被允许通过温和的蒸发（例如，经由在真空室 中干燥）来干燥（步骤706)，以形成均匀的表面。如期望，附加的涂层（例如，含有不同类 型的纳米颗粒）可以被沉积到干燥的涂层上或其它基板表面上。
[0104]在一些情况下，所述纳米颗粒溶液被印刷到所述基板表面上以产生一层均匀纳米 颗粒。合适的印刷技术包括但不限于丝网印刷、喷墨印刷、凹版印刷和柔版印刷。印刷对将 纳米颗粒沉积到在柔性基板上特别有用。
[0105] 如期望，该纳米颗粒溶液可以印刷或以其他方式沉积到基板表面的预定部分上， 例如，以使用掩模或其它适当的技术形成类似于图2所示的图案。例如，如果纳米颗粒溶液 是水溶液，则基板表面可以选择性地涂覆有亲水性和/或疏水性涂层，以分别地吸引和排 斥所述纳米颗粒溶液。
[0106] 图7B示出了用于制造适用于透明显示器的屏幕的另一流程730。在该流程730 中，基板被软化以形成软化的基板，或熔融以形成液体基板（步骤732)。纳米颗粒被压入 软化的基板或溶解于液体基板中（步骤734)，然后使之硬化成包括嵌入在基板内的纳米颗 粒的屏幕（步骤736)。例如，纳米颗粒可以直接溶解到熔融玻璃、熔融/液体塑料，或熔融 /液体丙烯酸树脂中以形成掺杂的基板材料。掺杂的基板材料然后可以使用标准玻璃（或 塑料）制造技术挤出、模制或以其它方式形成为掺杂有纳米颗粒的透明板。
[0107] 图7C示出了用于制造适用于透明显示器的屏幕的另一流程760。在该流程760中， 一个或多个纳米颗粒悬浮在液体聚合物基质中，或与干燥聚合物和溶剂混合以形成纳米颗 粒悬浮液（步骤762)。在步骤764中，所述纳米颗粒悬浮液被注入或通过毛细作用引入到 在一对基板之间形成的空腔内或单个基板内，例如，使用毛细管作用。在步骤766中空腔被 密封，以防止悬浮液逸出，并且所述纳米颗粒悬浮液在步骤768中例如使用紫外光被固化 以防止纳米颗粒沉淀。
[0108] 纳米颗粒聚类
[0109] 在一些情况下，在溶液中的纳米颗粒可聚类在一起以在散射波长中产生不期望的 位移。不受限于任何特定的理论，似乎渗透压、毛细力和范德华力可各自在纳米颗粒聚类中 发挥作用。渗透压产生短程（粘着）的吸引力，但不可施加于具有相对低的纳米颗粒浓度 (例如，约2X10 5或更小的体积分数）的溶液中。通过在纳米颗粒表面与溶剂（例如，PVA) 之间减小界面能量，例如，通过用类PVP的极性涂层涂覆颗粒，可以减小或消除毛细管力。
[0110] 范德华力可以比渗透压或毛细管力更容易造成聚类。对于半径为R并且隔开距离 D的一对球体，与范德华力相关联的势能是
[0111]ff(D) = -AR/(12D),
[0112] 其中A是常数。对于在水中的银纳米球，A= 4X10 19,其在分开的距离D= 200nm 处对应于约等于kT(玻尔兹曼常数乘以温度，或热激发能）的吸引能。减小纳米球密度降 低一对给定纳米球将隔开200纳米或更小的概率，这转而降低范德华引力将导致聚类的概 率：
[0113]
[0114] 图8A-图8C示出了纳米颗粒聚类的效果。图8A和图8B示出了PVA中球形银纳 米颗粒的实验的消光截面（〇