一种基于MXene的结构色薄膜及制备方法

发明属于结构色功能材料，具体涉及一种基于mxene的结构色薄膜及制备方法。

背景技术：

1、不同于染料、颜料等传统着色剂，结构色是通过材料结构设计，利用光的反射、干涉或衍射等物理过程产生颜色效果。自然界中有许多天然结构色，如鸟类羽毛、甲虫壳体等。人工结构色通过反射光谱的精准调控可以实现高色彩纯度和宽色域的颜色产生。这些特点使得结构色在显示、传感和信息加密等领域有广阔的应用前景。开发可大规模制备和适用复杂结构表面的结构色技术是当前的研究热点。

2、目前，人工结构色主要通过光子晶体、衍射光栅、多层薄膜堆叠等技术实现。光子晶体和衍射光栅都涉及到光和周期性人工微纳结构的相互作用。微纳尺度的结构设计和材料制备工艺难度较大、成本高，同时也不适合大面积柔性制备，这限制了其在复杂场景中的应用。多层结构色薄膜是组合不同折射率的薄膜，利用光的干涉效应产生不同的视觉颜色。它可以产生金属光泽，并且颜色会随观察角度不同而变化。一种常见的结构色薄膜设计是“金属-介质层/绝缘层-金属”堆叠结构。这一设计的优势是结构简单，体系超薄，同时也不需要利用光刻等技术进行微纳加工。但是，顶层纳米金属薄膜需要利用电子束蒸发、溅射等沉积工艺，不利于对薄膜厚度以及结构尺度进行复杂调控，从而限制了精细结构中的颜色变化，也难以实现三维结构着色。

3、综上所述，相较于传统着色材料，尽管结构色薄膜展现了独特的显色效果和广阔的设计空间，但是昂贵复杂的微纳加工制备工艺仍然是其大规模实际应用的最大挑战。开发新型结构色材料和简单涂层工艺是当前结构色领域的研究重点。本发明以二维过渡金属碳氮化物（mxene）为设计主体，制备干涉型结构色薄膜，目前尚未有相关报道。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于mxene的干涉型结构色薄膜及制备方法。通过对不同mxene薄膜和介质层厚度的调控可以实现宽色域、高饱和的结构色，且该纳米薄膜具有成膜工艺简单、成本低、设计自由度高、适用复杂精细三维结构表面和可大面积制备等优点，解决当前结构色工艺复杂、难以调控等技术缺点。

2、本发明提供的基于mxene的结构色薄膜，其结构分为四层，参见图1所示，自上至下依次为吸收层、介质层、反射层、衬底；其中，吸收层为mxene吸收层，介质层为 sio2、al2o3或tio2，反射层为al、ag或au，或者为mxene；该薄膜通过反射特定波长的光来显示颜色。其中：

3、所述mxene，其结构式为mn+1xnt x；其中，m为ti、nb、v或mo等，x为c或n，n=1-4。

4、进一步地，mxene具体为ti3c2t x、nb2ct x、v2ct x、ti2ct x、(ti,nb)2ct x、(v,nb)2ct x、(ti,v)2ct x、ti3cnt x、mo2tic2t x、nb4c3t x、v4c3t x、mo2ti2c3t x中的一种。

5、所述mxene的片层厚度尺寸为20 nm-30 μm。

6、所述mxene薄膜的单层厚度为5-300 nm。

7、所述反射层，其材料为ag、au或al，或者为mxene；厚度为80-200 nm。

8、所述介质层，其材料为sio2、al2o3或tio2；厚度为10-500 nm。

9、该结构色薄膜工作波长覆盖范围0.38~0.8 μm。

10、所述的衬底，其材料为si、ge、聚二甲基硅氧烷（pdms）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）、聚酰亚胺（pi）中的一种。

11、所述mxene薄膜的制备工艺为喷涂、旋涂、刮涂、喷墨打印或丝网印刷中的一种，mxene溶液浓度为1-50 mg/ml。

12、所述反射层和介质层是采用磁控溅射、电子束蒸发或双离子束溅射的方法来制备。

13、本发明提供的mxene基结构色薄膜的制备方法，具体步骤如下：

14、步骤1:使用有机溶剂、酸或碱处理的方法来预处理衬底，去除表面杂质，提高附着力；

15、步骤2： 选取高纯度（99.99%）金属靶材（al、ag或au），在步骤1处理过的衬底表面沉积一层厚度为80~200 nm的金属，作为反射层，或采用喷涂、旋涂、刮涂、喷墨打印或丝网印刷中的一种在衬底表面沉积mxene，作为反射层；

16、步骤3： 选取高纯度（99.99%）金属氧化物靶材（sio2、al2o3或tio2），在步骤2获得的反射层上沉积厚度为10~500 nm的介质，作为介质层；

17、步骤4： 通过酸刻蚀工艺刻蚀前驱体max相（ti3alc2、nb2alc、v2alc、ti2alc、(ti,nb)2alc、(v,nb)2alc、(ti,v)2alc、ti3alcn、mo2tialc2、nb4alc3、v4alc3、mo2alti2c3中的一种），得到mxene溶液，浓度为1-50 mg/ml，mxene片层大小为20 nm-30 μm；

18、步骤5： 使用喷涂、旋涂、刮涂、喷墨打印或丝网印刷中的一种，在步骤3处理过的介质层上制备一层厚度为5-300 nm的mxene薄膜，作为吸收层。

19、本发明中，通过调节介质层（sio2、al2o3或tio2）的厚度（10-500 nm）以及mxene吸收层的厚度（5-300 nm）和类型来调整薄膜颜色种类和亮度，使得到的结构色薄膜色域范围可以覆盖srgb标准色域空间；所述的结构色薄膜工作波长覆盖范围0.38~0.8 μm。

20、本发明具有以下有益效果：

21、（1）结构简单；本发明不需要光刻等复杂的微纳加工技术，仅需简单的薄膜沉积即可实现低成本大规模制备；

22、（2）色域宽；利用介质层和吸收层的种类及厚度可以灵活调节色域范围，色域范围可以覆盖srgb标准色域空间；

23、（3）可制备在柔性衬底和复杂结构表面；本发明公开的mxene基结构色可以制备在柔性衬底上，实现可拉伸的结构色薄膜，也适合用于复杂精细三维结构表面制备；

24、（4）制备的mxene基结构色薄膜可实现不同观测角度的颜色变化，比如观测角度从0-90°，薄膜颜色由蓝色转变为绿色。

技术特征：

1.一种基于mxene的结构色薄膜，其特征在于，结构分为四层，自上至下依次为吸收层、介质层、反射层、衬底；其中，吸收层为mxene吸收层，介质层为 sio2、al2o3或tio2，反射层为al、ag或au，或者为mxene；该薄膜通过反射特定波长的光来显示颜色；其中：

2.根据权利要求1所述的基于mxene的结构色薄膜，其特征在于，所述mxene为ti3c2tx、nb2ctx、v2ctx、ti2ctx、(ti,nb)2ctx、(v,nb)2ctx、(ti,v)2ctx、ti3cntx、mo2tic2tx、nb4c3tx、v4c3tx、mo2ti2c3tx中的一种。

3.根据权利要求1所述的基于mxene的结构色薄膜，其特征在于，所述衬底其材料为si、ge、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺中的一种。

4.一种如权利要求1-3之一所述基于mxene的结构色薄膜的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述前驱体max相为ti3alc2、nb2alc、v2alc、ti2alc、(ti,nb)2alc、(v,nb)2alc、(ti,v)2alc、ti3alcn、mo2tialc2、nb4alc3、v4alc3、mo2alti2c3中的一种。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，通过调节介质层和吸收层厚度和类型来调整薄膜颜色种类和亮度，使得结构色薄膜色域范围可以覆盖srgb标准色域空间。

技术总结
本发明属于结构色功能材料技术领域，具体为一种基于MXene的结构色薄膜及制备方法。本发明结构色薄膜分为四层：MXene吸收层，SiO<subgt;2</subgt;、Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;或TiO<subgt;2</subgt;的介质层，Al、Ag、Au或高导电MXene的反射层，以及衬底；MXene结构式为M<subgt;n+1</subgt;X<subgt;n</subgt;T<subgt;x</subgt;；该薄膜通过反射特定波长的光来显示颜色；通过调节介质层和吸收层厚度和类型来调整薄膜颜色种类和亮度，所述的结构色薄膜工作波长覆盖范围0.38~0.8μm。本发明结构色薄膜色域宽、饱和度高；制备方法工艺简单，适用复杂精细结构表面，解决了目前结构色薄膜制备工艺复杂、成本高、难以大面积应用等不足。

技术研发人员：韩美康,郝加明,文政绩,张名青
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22