類(lèi)金剛石碳（DLC）薄膜因高硬度、耐磨損特性，廣泛應(yīng)用于刀具、模具等工業(yè)領(lǐng)域，其傳統(tǒng)顏色為黑色或灰色。近期，日本研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)等離子體化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)，將DLC薄膜厚度控制在20-80納米范圍內(nèi)，首次實(shí)現(xiàn)對(duì)其結(jié)構(gòu)色的精確調(diào)控。這一發(fā)現(xiàn)為材料的光學(xué)功能化提供了新方向。

等離子體CVD裝置示意圖

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結(jié)構(gòu)色產(chǎn)生的物理機(jī)制

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結(jié)構(gòu)色由光的干涉效應(yīng)主導(dǎo)，而非化學(xué)染料。當(dāng)光照射到薄膜表面時(shí)，部分光在上表面反射，另一部分穿透薄膜后在下界面反射。兩束反射光發(fā)生干涉：

干涉條件：公式表明，薄膜厚度（d）和折射率（n）共同決定增強(qiáng)的波長(zhǎng)（λ）。實(shí)驗(yàn)中DLC薄膜的折射率穩(wěn)定在2.0，厚度成為唯一變量。

厚度調(diào)控波長(zhǎng)：厚度增加時(shí)，干涉增強(qiáng)的波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)（如藍(lán)光→綠光→黃光）。

多層干涉示意圖

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薄膜厚度與顏色的定量關(guān)系

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研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)改變沉積時(shí)間（4-15分鐘），制備了不同厚度的DLC薄膜，并觀察到以下規(guī)律：

DLC薄膜沉積時(shí)間與膜厚的關(guān)系

20-50納米：顏色從藍(lán)色（主波長(zhǎng)450 nm）過(guò)渡到綠色（550 nm），亮度（Y值）隨厚度增加而升高，但色彩純度（pe）下降。

50-80納米：顏色轉(zhuǎn)向黃色（580 nm以上），亮度降低，純度回升。

臨界厚度50納米：亮度和純度的變化趨勢(shì)在此處反轉(zhuǎn)，可能與多層干涉模式的切換相關(guān)。

薄膜厚度與激發(fā)純度（“pe”）之間的關(guān)系

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結(jié)構(gòu)色的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

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與傳統(tǒng)色素染色相比，結(jié)構(gòu)色具有顯著優(yōu)勢(shì)：

耐久性：顏色由物理結(jié)構(gòu)決定，無(wú)化學(xué)降解風(fēng)險(xiǎn)，適用于高溫、高磨損環(huán)境。

環(huán)保性：無(wú)需染料或涂層工藝，減少化學(xué)污染。

可編程性：通過(guò)調(diào)整薄膜厚度或結(jié)構(gòu)，可精確設(shè)計(jì)目標(biāo)顏色

結(jié)構(gòu)色彩

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潛在應(yīng)用場(chǎng)景

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工業(yè)設(shè)計(jì)：刀具、模具表面賦予標(biāo)識(shí)性顏色，兼顧功能與美觀。

消費(fèi)電子：手機(jī)、電腦外殼的永久性色彩方案，避免噴漆脫落問(wèn)題。

光學(xué)器件：抗反射涂層、濾光片的低成本制備。

航空航天：衛(wèi)星部件表面涂層，兼具耐磨性與熱控性能。

此研究揭示了DLC薄膜在光學(xué)領(lǐng)域的潛力，為開(kāi)發(fā)新型結(jié)構(gòu)色材料提供了理論依據(jù)。未來(lái)，結(jié)合納米級(jí)厚度控制與多層膜設(shè)計(jì)，有望實(shí)現(xiàn)更廣色域、更高純度的色彩調(diào)控。

FlexFilm單點(diǎn)膜厚儀

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FlexFilm單點(diǎn)膜厚儀是一款專(zhuān)為納米級(jí)薄膜測(cè)量設(shè)計(jì)的國(guó)產(chǎn)高精度設(shè)備，采用光學(xué)干涉技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)，測(cè)量精度達(dá)±0.1nm，1秒內(nèi)即可完成測(cè)試，顯著提升產(chǎn)線(xiàn)效率。

1.高精度測(cè)量：光學(xué)干涉技術(shù)，精度±0.1nm，1秒完成測(cè)量，提升產(chǎn)線(xiàn)效率。

2.智能靈活適配：波長(zhǎng)覆蓋380-3000nm，內(nèi)置多算法，一鍵切換材料模型。

3.穩(wěn)定耐用：光強(qiáng)均勻穩(wěn)定（CV＜1%）年均維護(hù)成本降低60%。

4.便攜易用：整機(jī)＜3kg，軟件一鍵操作，無(wú)需專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)。

FlexFilm單點(diǎn)膜厚儀可結(jié)合DLC薄膜材料為精密制造提供了一把“快而準(zhǔn)的尺子”，在半導(dǎo)體制造過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)薄膜的沉積和生長(zhǎng)厚度。搭建各種光譜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種材料的光學(xué)特性、膜厚、材料的反射率、透過(guò)率等光譜特性的測(cè)試和分析實(shí)驗(yàn)。

原文出處:《Effects of film thickness on structural color of DLC films deposited by plasma CVD method》

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