Nanofabrikations- und Farbstudie von künstlichen Morpho-Schmetterlingsflügeln mit ausgerichteten Lamellenschichten

Scientific Reports Band 5, Artikelnummer: 16637 (2015) Diesen Artikel zitieren

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Die leuchtende und schillernde blaue Farbe der Morpho-Schmetterlingsflügel hat seit langem weltweite Aufmerksamkeit auf sich gezogen, um ihre geheimnisvolle Natur zu erforschen. Obwohl die Physik der Strukturfarbe durch die auf den Flügelschuppen aufgebauten nanophotonischen Strukturen gut etabliert ist, bleibt die Nachbildung der Flügelstruktur durch Standard-Top-Down-Lithographie immer noch eine Herausforderung. Dieser Artikel berichtet über einen technischen Durchbruch zur Nachahmung der blauen Farbe von Morpho-Schmetterlingsflügeln durch die Entwicklung eines neuartigen Nanofabrikationsprozesses, der auf Elektronenstrahllithographie in Kombination mit abwechselnder PMMA/LOR-Entwicklung/-Auflösung basiert, für photonische Strukturen mit ausgerichteten Lamellenmehrschichten in farblosen Polymeren. Die Beziehung zwischen der Färbung und den geometrischen Abmessungen sowie Formen wird systematisch analysiert, indem die Maxwell-Gleichungen mit einem Finite-Domain-Zeitdifferenzsimulator gelöst werden. Es wird eine sorgfältige Charakterisierung des nachgeahmten Blaus durch Spektralmessungen sowohl unter normalen als auch unter schrägen Winkeln durchgeführt. Die Strukturfarbe in Blau, die sich in den gefertigten Flügelschuppen widerspiegelt, wird demonstriert und als Anwendungsübung der neuen Technik auf Grün ausgeweitet. Die Auswirkungen der Regelmäßigkeit in den Replikaten auf die Färbung werden analysiert. Im Prinzip stellt dieser Ansatz einen Ausgangspunkt für die Nachahmung von Strukturfarben jenseits des Blaus in Morpho-Schmetterlingsflügeln dar.

Strukturfarben kommen häufig bei Schmetterlingen1,2,3,4,5, Käfern6 und Meerestieren7,8 usw. vor. Die am häufigsten genannten Beispiele sind die in Südamerika lebenden Morpho-Schmetterlinge9,10,11,12. Die Färbung der Schmetterlingsflügel weist eine Reihe einzigartiger Merkmale auf, wie z. B. breites blaues Schillern, brillanter Glanz, fleckenartige Aspekte, hohe Verfärbungsbeständigkeit, hohe Umweltempfindlichkeit und winkelunabhängige Spektren13,14. Seit der ersten Beobachtung der inneren Struktur mit einem leistungsstarken Rasterelektronenmikroskop (REM)15 wurden umfangreiche Untersuchungen zum Ursprung der Färbung durch die aufwändigen Nanostrukturen in Morpho-Schmetterlingsflügeln durchgeführt16,17,18, angetrieben durch umfangreiche potenzielle Anwendungen. Zu den erwarteten Anwendungen gehören schillernde Textilbekleidung19, funktionelle Beschichtungen20, unübertroffene Farbsicherheitscodierung21, effiziente Solarzellen22, hochselektive Gassensoren23,24, chemische Sensoren mit ausgezeichneter Empfindlichkeit und Selektivität25,26 und Hochgeschwindigkeits-Infrarot-Bildgebungsgeräte27,28 usw. Der Schlüssel Der Erfolg bei der präzisen Interpretation der Färbung liegt in der Etablierung einer zuverlässigen technischen Methodik für die Architektur der periodischen Struktur auf der Mikro- und Nanoskala im Schmetterlingsflügelmaßstab, was auch einen unvermeidlichen Schritt in Richtung ihrer Anwendung im täglichen Leben darstellt. Wie die ursprüngliche Architektur in Abb. 1a schematisch zeigt, ist die Flügelschuppe mit parallelen Graten mit zufälligen Höhen voneinander bedeckt. An der Seitenwand jedes Grats befindet sich tatsächlich eine Lamellenstruktur, die aus abwechselnden Schichten von Kutikula und Luft besteht. Solche Nanostrukturen stellen aufgrund der 3D-Variationen im Profil eine gewaltige Herausforderung bei der Replikation dar. Allerdings wurden zahlreiche Versuche gemeldet. Saito et al.29,30 und Chung et al.31 imitierten die blaue Farbe mit weitem Betrachtungswinkel durch mehrschichtige Abscheidung von TiO2/SiO2 auf einer unregelmäßigen Unterstruktur. Watanabe et al.32 stellten Nachbildungen von Morpho-Schmetterlingsschuppen her und beobachteten die blaue Farbreflexion durch chemische Gasphasenabscheidung mit fokussiertem Ionenstrahl (FIB-CVD). Huang et al.33, Zhang et al.34,35,36, Kang et al.37 und Chen et al.38,39 verwendeten Schmetterlinge als Biotemplate, um die 3D-Nanostrukturen durch Metalloxide oder Polydimethylsiloxan (PDMS) zu synthetisieren, und berichteten darüber dass die Nachbildung verschiedene Farben mit unterschiedlichen Gittergrößen und Brechungsindizes reflektieren kann. Allerdings basierten nicht alle beschriebenen Ansätze auf einem Standard-Top-Down-Nanolithographieverfahren mit großer Fläche, hoher Ausbeute und niedrigen Kosten. Die einzige Ausnahme besteht darin, dass Aryal et al.40 kürzlich eine Methode für die großflächige Nanofabrikation durch industrialisierte Techniken und den anschließenden Nanoimprint von 3D-Schmetterlingsflügelschuppen eingeführt haben. Leider ist seine optische Färbung nicht charakterisiert. Darüber hinaus verwenden die meisten nachgeahmten Nanostrukturen anorganische Materialien, was dazu führt, dass die Nachbildungen im Gegensatz zum echten Morpho-Schmetterling eine Farbe aufweisen, da sich die optischen Eigenschaften anorganischer Materialien von denen der Nagelhaut in den Flügelschuppen eines echten Schmetterlings unterscheiden.

Schematische Darstellung der Flügelschuppen des Morpho-Schmetterlings.

(a) Die Originalkonfiguration ähnlich echten Flügelschuppen mit Weihnachtsbaumform und versetzten Lamellenschichten. (b) Die entworfenen Schuppen sollen mit ausgerichteten Lamellenstrukturen aus abwechselnden PMMA/LOR-Schichten hergestellt werden. (c) Definitionen der im Text verwendeten Maßsymbole.

In diesem Artikel wird über einen technischen Durchbruch berichtet, der kürzlich bei der Herstellung mehrschichtiger ausgerichteter Lamellen auf Nanosäulen erzielt wurde, wie in Abb. 1b schematisch dargestellt, um die Färbung der Flügelschuppen von Morpho-Schmetterlingen durch einen neuartigen Prozess nachzuahmen, der auf Elektronenstrahllithographie und abwechselnder Entwicklung/Auflösung basiert auf PMMA/LOR-Übergitter-Mehrfachschichten. Die gesamte künstliche Skala ist von einem periodischen Firstgitter mit PMMA/Luft-Ästen bedeckt. Die grundlegenden Färbungseigenschaften der künstlichen Lamellenstrukturen in Blau und Grün werden demonstriert und ihre Unterschiede zu echten Flügeln wurden durch Lösen von Maxwell-Gleichungen mit einem FDTD-Simulator analysiert. Winkelaufgelöste Spektren zeigen abnormale Rotverschiebungen anstelle einer Blauverschiebung wie bei echten Flügeln, was in unserem Fall durch die Regelmäßigkeit der Gratgitter erklärt wird. Die in dieser Arbeit entwickelte technische Methodik bietet uns eine große Möglichkeit, die Zweigbreite, die Schichtanzahl, die Schichtdicke für gewünschte Farben und sogar die Materialien der Schuppen anzupassen, um farbenfrohere Flügel jenseits des Blaus des Morpho-Schmetterlings herzustellen.

Der in dieser Arbeit konstruierte Flügelmaßstab ist schematisch in Abb. 1b dargestellt. Es besteht aus einem freistehenden periodischen Gratgitter mit einem festen Abstand von 1,3–1,4 μm. Auf jedem Kamm als einzelner Baum gibt es ausgerichtete Lamellenschichten als abwechselnde feste Kutikula und von Kutikulasäulen getragene Luftschichten, um die Flügelschuppen von Morpho-Schmetterlingen nachzuahmen. Die Geometrieabmessungen in 5 verschiedenen Lamellenkonfigurationen sind in Tabelle 1 zusammengefasst. In der Tabelle sind alle Parameter in Abb. 1c definiert. Die Breite des Baumzweigs ist für alle Schichten auf 850 nm festgelegt, so dass zwischen zwei benachbarten Graten eine 450 nm breite Lücke verbleibt. Die einigermaßen breiten Lücken sollen sicherstellen, dass die Mehrschichtreflexion nur innerhalb einer Kante erfolgt, was als Quasi-Mehrschichtreflexion bezeichnet wird.

In dieser Arbeit wird PMMA-Resist als Verzweigungsmaterial verwendet und die Gratachse (Säule) besteht aus einer PMMA/LOR-Mehrschichtschicht, wobei LOR für Lift-of-Resist steht, bereitgestellt von MicroChem Corp. Die Brechungsindizes des PMMA (nPMMA = 1,50) und LOR-Schichten (nLOR = 1,58) wurden mit einem Interferometer gemessen. Beide Materialien zeigen im sichtbaren Licht keine Adsorption und sind völlig farblos. Die Dicken () von PMMA und LOR wurden für einen Viertelwellenstapel mit einer Stoppband-Mittelwellenlänge im blauen (480 nm) und grünen (520 nm) Spektralbereich auf der Grundlage der konstruktiven Interferenzbedingung berechnet: 14, wobei Die Fußnoten „1“ und „2“ bezeichnen PMMA bzw. LOR und geben den Einfallswinkel an. Für ein ideales Mehrschichtsystem mit reflektierender konstruktiver Interferenz bei der Wellenlänge von 480 nm sollten die Dicken von PMMA und Luft 80 nm bzw. 120 nm betragen, was bedeutet, dass die Dicke des LOR ebenfalls 120 nm beträgt. Ebenso sollten die Dicken der PMMA-Schicht und der LOR-Schicht für die grüne Farbe 87 nm bzw. 130 nm betragen. Zwei unterschiedliche Gesamtschichtzahlen (einschließlich PMMA und LOR), 11 Schichten (5 Perioden) und 15 Schichten (7 Perioden), wurden entworfen und hergestellt, um den Einfluss der Schichtzahl auf das Reflexionsvermögen experimentell darzustellen.

Die Farbmerkmale der entworfenen Flügelskala werden zunächst theoretisch untersucht, indem die Reflexionsspektren sowohl bei vertikalem als auch bei schrägem Einfall modelliert werden, wobei die Methode der endlichen Differenzen im Zeitbereich (FDTD) verwendet wird. Spezifische Bedenken sind: die Auswirkungen des Substratmaterials, der Säulenform, der Schichtanzahl, der Einfalls-/Betrachtungswinkel und der Regelmäßigkeit der Gratgitter auf die optischen Eigenschaften.

Abbildung 2 zeigt den simulierten Reflexionsgrad der entworfenen Lamellenschichten. Abbildung 2a zeigt die Ergebnisse der Proben mit 11 Multischichten auf Si (Blau 1) bzw. Quarz (Blau 2). Beide zeigen wie gewünscht einen starken Reflexionspeak um 480 nm (blaue Farbe). Das Spektrum mit Silizium als Substrat zeigt jedoch einen zusätzlichen Peak um 590 nm (gelbe Farbe), der durch die Spiegelreflexion in der PMMA/Si-Grenzfläche verursacht wird. Diese Reflexion wird an der PMMA/Quarz-Grenzfläche aufgrund des geringen Unterschieds im Brechungsindex zwischen PMMA und Quarz stark reduziert, was nur zur blauen Farbe führt.

Die FDTD-Simulationsergebnisse der Spektren für die entworfenen Lamellenstrukturen.

(a) Zwei mehrschichtige Proben mit insgesamt 11 Schichten auf Silizium (Blau_1) bzw. Quarz (Blau_2). Der starke Peak um 580 nm im Spektrum von Blue_1 mit Siliziumsubstrat zeigt einen deutlichen Substrateffekt. (b) Drei mehrschichtige Proben (Green_1, Green_2 und Green_3) mit insgesamt 15 Schichten auf Quarz. Beachten Sie, dass der Hauptunterschied der drei Strukturen in der Säulenform liegt. Die elektrischen Feldverteilungen an den drei markierten Punkten wurden simuliert. Alle physikalischen Abmessungen sind in Tabelle 1 aufgeführt. Ausführliche Erläuterungen finden Sie im Text.

Der Einfluss der Säulenform auf die Färbung wird ebenfalls untersucht, wie in Abb. 2b gezeigt. Drei verschiedene Formen der Säule wurden verglichen, wie im Einschub von Abb. 2b gezeigt, entsprechend (1) keine Säule, (2) 230 nm breite Säule, (3) Trapezform auf den ersten drei Schichten von oben und Der Rest ist 230 nm breit, was den hergestellten Graten ähnelt. Das Spektrum ohne Säule (die schwarze Linie) ist typischerweise das Reflexionsvermögen eines 1D-photonischen Kristalls mit hohem Reflexionsvermögen in 450 nm–600 nm. Das Hinzufügen von 230 nm breiten Säulen (die blaue Linie) oder scharfen Säulen (die rote Linie) verändert zwar das Reflexionsvermögen, aber die beiden Säulenformen machen keinen großen Unterschied im Reflexionsvermögen. Beide befinden sich im gleichen Farbband mit nur geringfügiger Änderung des Reflexionsvermögens. Die großen Einbrüche um 493 nm werden durch resonante Übertragungsmodi im PMMA/LOR 1D-Kristall verursacht. Die simulierte elektrische Feldverteilung E2 beweist auch das Vorhandensein von sich ausbreitenden Moden in der Säule, wie in Abb. 3a dargestellt, was zu einer Verringerung des Reflexionsgrads führt. Die E2-Verteilungen, die den beiden Wellenlängen bei 524 nm (Abb. 3b) bzw. 532 nm (Abb. 3c) entsprechen, zeigen eine relativ schwache Transmission durch die Säulen als die bei 493 nm, was Reflexionsspitzen in den Spektren entspricht.

Die FDTD-Simulationen der räumlichen Verteilungen des elektrischen Feldes E2 für die drei Wellenlängen in Abbildung 3b.

(a,b) entsprechen den Wellenlängen bei 493 bzw. 524 nm in Green_3. Der stärkste Wandermodus, der in der PMMA/LOR-Säule in (a) zu sehen ist, ist für den Reflexionsabfall bei 493 nm in den Spektren (sowohl der roten als auch der blauen Linie) in Abbildung 3b verantwortlich. Das relativ schwache E2 in der Multischicht in (b) (524 nm) und (c) (532 nm) erklärt die hohe Reflexion in den Spektren. Die gestrichelten Linien heben die Lamellenstrukturen hervor.

Für die Herstellung ausgerichteter Lamellenstrukturen wurde ein neuartiges Verfahren durch Elektronenstrahllithographie mit abwechselnder Entwicklung/Auflösung auf PMMA/LOR-Übergitter-Mehrfachschichten entwickelt. Der wichtigste Prozess des Prozesses besteht darin, die Luftschichten durch eine verdünnte Alkalilösung durch selektive Auflösung auf der LOR-Schicht auf kontrollierbare Weise zu erzeugen41. Eine detaillierte Beschreibung der Verarbeitungsstudie finden Sie im Abschnitt „Methode“. Abbildung 4 zeigt REM-Aufnahmen der hergestellten ausgerichteten Lamellenstrukturen für blaue Farbe mit 11 Schichten bzw. grüne Farbe mit 15 Schichten auf Si-Substrat. Alle resultierenden Abmessungen kommen den in Tabelle 1 aufgeführten entworfenen Werten sehr nahe. Die PMMA/LOR-Säulen sind unten breit und oben schmal, ähnlich wie bei echten Morpho-Schmetterlingsflügeln. Um die Farbe durch die quasi-mehrschichtige Reflexion durch die Lamellenschichten von der durch die Firstgitter zu unterscheiden (wie durch die gestrichelten Linien in Abb. 4d hervorgehoben), wurden auch Lamellenstrukturen mit derselben Teilung und derselben Höhe, aber kurzen Hinterschneidungen hergestellt .

Die mikroskopischen Aufnahmen des Rasterelektronenmikroskops (REM) für hergestellte Flügelschuppen mit ausgerichteten Lamellenmehrschichten.

(a) Eine Übersicht über den nachgeahmten Maßstab mit geringer Vergrößerung. (b) Eine Nahaufnahme des Querschnitts der 11-schichtigen Lamellenstruktur. (c) Die Querschnittsansicht der 15-Schichten-Struktur. Beim Spalten der Probe wurde die oberste PMMA-Schicht aufgebogen. (d) Das Firstgitter, hervorgehoben durch gestrichelte Linien.

Die Strukturfarbe von hergestellten künstlichen Flügelschuppen wurde mit der Spektralmethode im sichtbaren Bereich sowohl bei vertikalem als auch bei schrägem Lichteinfall charakterisiert. Abbildung 5 zeigt eine Reihe optischer Mikroskopbilder, die die Farben der gemusterten Bereiche zeigen. In der Abbildung ist zum Vergleich auch das Bild der Flügelschuppe eines echten Morpho-didius-Schmetterlings dargestellt (Abb. 5a). Abbildung 5b zeigt die Farbe einer ursprünglich hergestellten Probe (Blau_1) mit 5 Perioden (insgesamt 11 Schichten) auf einem Si-Substrat. Sowohl aquamarinblaue als auch grüne Farben können vage beobachtet werden. Ein vertikales Reflexionsspektrum (die grüne Linie in Abb. 6a) im sichtbaren Bereich (400–700 nm) wurde auf Blue_1 mit einem NOVA-EX-Spektrometer (Ideaoptics Instruments Co. Ltd., China) unter einer kollimierten Quelle gescannt, die eine weiße ebene Welle emittiert . Es ist ersichtlich, dass das Spektrum Komponenten sowohl im blauen Bereich (450 nm) als auch im grünen Bereich (530 nm) aufweist. Der blaue Peak ist auf die Quasi-Mehrschichtreflexion in PMMA/Luft-Zweigen zurückzuführen. Der grüne Peak ist der Beitrag der PMMA/Si-Grenzfläche durch Spiegelreflexion. Wenn in Probe Blue_3 ein Quarz als Substrat verwendet wurde, ist im Bild in Abb. 5c eine viel reinere blaue Farbe ohne den roten Anteil zu beobachten. Das entsprechende Spektrum (violette Linie in Abb. 6a) zeigt auch das Verschwinden des grünen Peaks. Daher ist das Substratmaterial, charakterisiert durch den Brechungsindex, wichtig, um sicherzustellen, dass der Beitrag des Substrats begrenzt ist. Eine genauere Untersuchung ergab jedoch, dass das Spektrum zwar hauptsächlich den blauen Bereich von 400–540 nm abdeckt, die Maxima jedoch tatsächlich bei etwa 430 nm statt bei den gewünschten 480 nm liegen. Diese Blauverschiebung von 50 nm könnte durch Abweichungen der Lackdicken vom Design verursacht werden. Die weitere Herstellung von Lamellenschichten (Blau_2) unter Verwendung korrigierter Dicken von PMMA und LOR führt zu einem korrekten Reflexionspeak bei 480 nm, wie durch die Cyan-Linie in Abb. 6a dargestellt. Dies beweist weiter, dass die beobachtete blaue Farbe tatsächlich auf die Reflexion in den künstlichen Lamellenmehrschichten zurückzuführen ist.

Lichtmikroskopische Aufnahmen für Strukturfarben aus gemusterten Bereichen als künstliche Flügelschuppen.

(a) Das Bild im Maßstab eines echten Morpho didius-Schmetterlingsflügels. (b) Das Farbbild einer 11-schichtigen Lamellenstruktur auf Si, das die Komplementärfarbe von Blau und Grün zeigt. (c) Das Bild aus dem gleichen Muster wie in (b), aber auf Quarzsubstrat mit etwas geringeren Schichtdicken als den vorgesehenen Werten, was reineres Blau zeigt. (d) Das Bild eines gemusterten Bereichs mit der gleichen Schichtstruktur wie oben und korrigierten Dicken, wobei das Blau dem echten in (a) näher kommt. (e,f) Die Bilder von gemusterten Bereichen für grüne Farbe mit 11 bzw. 15 Schichten. (g) Das Bild zeigt dunkelrote Farbe aus dem gemusterten Bereich mit 1,5 μm geneigten Gratgittern ohne PMMA/Luft-Verzweigungen. Der Skalierungsbalken in allen Bildern beträgt 100 μm.

Die gemessenen und die simulierten Reflexionsspektren.

(a) Das Reflexionsvermögen der natürlichen, der hergestellten und der simulierten Flügelschuppen mit blauer Farbe. Die angezeigten Farben im Einschub stammen aus Mikroskopbildern. (b) Das Reflexionsvermögen der hergestellten Schuppen mit grüner Farbe. Die Beispielnamen und ihre entsprechenden Farben werden im Einschub angezeigt. Die rote Linie mit geringer Reflektivität wurde von einem Firstgitter ohne PMMA/Luft-Verzweigungen aufgenommen. Seine Farbe ist bei 620 nm dunkelrot. Ausführliche Erläuterungen finden Sie im Text.

In Abb. 6a ist auch das Spektrum eines echten Morpho-didius-Schmetterlingsflügels (blaue Linie) enthalten, das sowohl mit dem simulierten als auch dem gemessenen Reflexionsgrad unter Verwendung der oben diskutierten entworfenen Struktur übereinstimmt. Dies deutet darauf hin, dass das in dieser Arbeit erstellte Strukturmodell die wichtigsten Farbmerkmale der Schmetterlingsflügelschuppe sehr gut nachahmt. Das Spektrum, das in Abb. 6a als rote Linie erscheint, stammt von der Mehrschicht aus PMMA/LOR mit insgesamt 11 Schichten ohne Strukturierung und zeigt ein sehr geringes Reflexionsvermögen im blauen Bereich, dessen Beitrag vernachlässigt werden kann.

Ebenso wird die grüne Farbe durch eine Neugestaltung der Schichtdicken sowohl von PMMA als auch von LOR nachgeahmt. Die von den hergestellten Proben mit 5 Perioden (Probe Green_3) bzw. Perioden (Probe Green_4) gemessenen Spektren sind in Abb. 6b dargestellt. Beide Reflexionspeaks liegen bei den gewünschten 520 nm für die grüne Farbe, was auch durch die optischen Bilder der strukturierten Bereiche mit Lamellenstrukturen in Abb. 5e bzw. f belegt wird. Sowohl optische Bilder als auch Spektren zeigen, dass die hergestellten Lamellenstrukturen mit 7 Perioden eine höhere Helligkeit und einen höheren Kontrast aufweisen als die mit 5 Perioden. Das von Green_5 aufgenommene Spektrum als Gratgitter mit vernachlässigbaren PMMA/Luft-Verzweigungsbreiten (Abb. 4d) zeigt bis auf einen sehr schwachen Peak bei 630 nm keinen Beitrag zur grünen Farbe, was mit dem optischen Bild in Abb. 5g übereinstimmt.

Um die winkelrelevante Färbung der hergestellten Flügelschuppen zu demonstrieren, wurden Reflexionsspektren aus verschiedenen Betrachtungswinkeln mit einem winkelaufgelösten Mikrospektroskop (ARM-51M; Ideaoptics Instruments Co. Ltd., China) gescannt. Wie in Abb. 7 schematisch dargestellt, wurde der Einfallswinkel des Lichts entweder auf 0° oder 30° festgelegt und die reflektierten Spektren wurden von einer 100-fachen Objektivlinse (NA = 0,8) in einem Winkel zwischen –40° und 40° gesammelt das Normale.

Das schematische Diagramm für die Lichtausleuchtung bei normalem Einfall bzw. schrägem Einfall.

Der Erfassungswinkel variiert von 0° bis ±40°.

Abbildung 8a zeigt die 2D-Karte der Spektren, die in Winkeln von –40° bis 40° mit normalem Einfall der Beleuchtung auf Green_3 aufgenommen wurden. Die Reflexionsspitzen liegen hauptsächlich bei etwa 523 nm (grüne Farbe). Die Intensität der Reflexionen verringert sich auf nahezu die Hälfte, wenn der Betrachtungswinkel vom Normalen auf ±16° ansteigt. Dies zeigt an, dass die hergestellte Skala in der Lage ist, die grüne Farbe im Betrachtungswinkelbereich von 30° zu halten. Wenn der Betrachtungswinkel weiter vergrößert wird, erfahren die Gesamtspektren eine leichte Rotverschiebung um 48 nm von 523 auf 571 nm, was auf den Beitrag des periodischen Gratgitters zurückzuführen ist, wie später erläutert wird. Abbildung 8b zeigt zum Vergleich die 2D-Karte der Spektren eines PMMA-Gitters mit den gleichen Abmessungen in Bezug auf Abstand, Höhe und Tastverhältnis wie Beispiel Green_3. Es wird eine völlig andere Art der Färbung beobachtet. Im sichtbaren Bereich gibt es zwei schwache Peaks um 575 bzw. 650 nm und der Großteil liegt oberhalb von 750 nm. Wenn sich der Detektionswinkel von der Normalen entfernt, verschieben sich die Peaks in Richtung langer Wellenlängen, was beweist, dass das Gratgitter für die im hergestellten Green_3 beobachteten Rotverschiebungen verantwortlich sein sollte.

Die gemessenen winkelaufgelösten Reflexionsspektren der hergestellten grünen Farbskalen mit insgesamt 15 Schichten (Grün_3) bei normalem Einfall (a) bzw. schrägem Einfall (c).

Der Erfassungswinkel ändert sich stufenweise von 0° bis ±40°. Zum Vergleich wurden die gleichen Messungen am PMMA-Gitter wiederholt (b,d). Detaillierte Beschreibungen finden Sie im Text.

Ein ähnliches Farbverhalten wurde auch bei schrägem Einfall (Abb. 7) von Licht in grüner Farbe wiederholt, wie in Abb. 8(c,d) dargestellt. Allerdings bleibt die Reflektivität in einem kleineren Winkelbereich (ca. 15°) erhalten als bei normalem Lichteinfall. Eine Blauverschiebung der Reflexion nullter Ordnung ist zu beobachten, wenn der Einfallswinkel vergrößert wird, was den Eigenschaften der mehrschichtigen Reflexion folgt14. Die Reflektivitätskarte des PMMA-Gitters ist auch in Abb. 8d dargestellt. Bei schräger Beleuchtung zeigt das Reflexionsvermögen wieder typische Interferenzmuster in mehreren Wellenlängen, die einer Reihe harmonischer Resonanzen entsprechen. Sein Anteil im grünen Bereich ist sehr begrenzt.

Aufgrund der Einschränkungen der Herstellungstechnik gibt es immer noch eine Reihe von Strukturunterschieden zwischen den hergestellten und echten Flügelschuppen, die zu Abweichungen in der Färbung führen. Erstens werden die Firstsäulen aus Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex (PMMA und LOR) gebildet, was zu einer Verringerung des Reflexionsgrads um 10–20 % mit einigen Einbrüchen auf den Spitzen führt, die von resonanten Übertragungsmodi in der PMMA/LOR-Säule herrühren; Zweitens weisen die künstlichen Schuppen eine starke Regelmäßigkeit in der Struktur auf, einschließlich periodischer Gratgitter mit gleicher Höhe und flacher Oberseite. Dadurch wird der Rotanteil des Gratgitters um 10 % zur Gesamtfarbe addiert, was bei schrägen Betrachtungswinkeln zu einer leichten Rotverschiebung führt. Darüber hinaus wird die Winkelunabhängigkeit der blauen Farbe auf etwa ±16° eingegrenzt. Drittens ist das Material in der künstlichen Schuppe polymerbasiert und völlig farblos. In dieser Ausgabe ist kein beobachtbarer Effekt zu erkennen, was darauf hindeutet, dass die blaue Farbe in diesem Werk vollständig durch die Lamellenstruktur verursacht wird, die frei auf der Skala steht, ohne dass Pigmente erforderlich sind. Schließlich beträgt die Gesamtperiode 7 mit 15 Schichten, was viel weniger ist als die tatsächlichen. Es wird angenommen, dass dies der Hauptgrund für das geringe Reflexionsvermögen der künstlichen Flügelschuppe ist. Dennoch liefert uns die beobachtete Färbungseigenschaft der nachgeahmten Schuppen unschätzbare experimentelle Beweise für die Interpretation des blauen Schillerns, das man an echten Schmetterlingsflügeln sieht. Noch wichtiger ist, dass es die Richtung der technischen Entwicklung aufzeigt, den Prozess und das Design zu verbessern, indem die notwendigen Unregelmäßigkeiten in realen Maßstäben geschaffen werden. Beispielsweise kann die Oberfläche des Substrats vorbehandelt werden, um zufällige Mesas mit Höhen in der Größenordnung von 50 nm zu erzeugen. Durch Trockenätzen im Plasma auf Fluorbasis können die oberen Ecken jedes Baums im Firstgitter auf natürliche Weise gefeilt werden, um eine weihnachtsbaumähnliche Form zu erhalten. Daher glauben wir, dass die künstlichen Schmetterlingsflügel mit weiteren Verbesserungen des in dieser Arbeit innovativen Nanolithographieprozesses echte Schmetterlingsflügel genau nachahmen sollten, was zu vielversprechenden Anwendungen in der Zukunft führen würde.

Bei der Simulation der Färbung durch die konstruierte Flügelschuppe verwendeten wir die von Lumerical Solutions Corporation unterstützte FDTD Solutions-Software. Eine kollimierte Quelle emittiert eine spektral breite (400–700 nm) ebene Welle mit TE- und TM-Polarisationskomponenten. In horizontaler Richtung wird das Modell mit periodischen Randbedingungen (BC) ins Unendliche erweitert und in vertikaler Richtung absorbierend (perfekt angepasste Schicht, PML). Sowohl SiO2 als auch Si werden als Substrate zum Vergleich des Reflexionsvermögens verwendet und ihre Brechungsindizes werden von Palik42 übernommen.

Abbildung 9 zeigt schematisch die Hauptschritte des Prozesses. Mehrschichtige PMMA/LOR-Schichten werden abwechselnd auf Silizium- bzw. Quarzsubstrate aufgeschleudert, wobei die Dicken wie in Abb. 9a dargestellt sind. Die Resists wurden nach jeder Beschichtung der Reihe nach im Ofen eingebrannt. Das direkte E-Beam-Schreiben wurde mit einem E-Beam-Schreiber (JEOL 6300 FS; JEOL Ltd., Japan) bei 100 kV mit einem Strahl mit einer Punktgröße von 7 nm und einem Strom von 500 pA unter der Spannung von 100 kV durchgeführt. Die geschriebenen Muster waren Gitter mit einem Abstand von 1,3 μm (für blaue Farbe) und 1,4 μm (für grüne Farbe) mit einer Dosierung von 800 μC/cm2. Die Gesamtfläche jedes Musters beträgt 1000 × 200 μm2. Nach der Elektronenstrahlbelichtung wurde eine Reihe abwechselnder Entwicklung (für PMMA) durch MIBK/IPA und Auflösung (für LOR) durch alkalisches CD26 durchgeführt, wodurch tiefe Gräben geöffnet wurden, wie in Abb. 9b gezeigt. Abschließend wurde eine konzentrierte CD26-Lösung (Shipley Corp.) aufgetragen, um die LOR-Schichten selektiv aufzulösen und mithilfe von Ultraschallbewegung Hinterschneidungen zu erzeugen, wie in Abb. 9c dargestellt. Die Unterschnittbreite wurde durch die Auflösungszeit gesteuert. Die Inspektion der Schichtstrukturen erfolgte mit einem Zeiss SIGMA HD Rasterelektronenmikroskop. Optische Bilder wurden mit einem optischen Zeiss Axio Scope A1-Mikroskop aufgenommen.

Der Prozessablauf der Nanofabrikation künstlicher Schuppen mit freistehenden Lamellenschichten auf Flügelschuppen durch Elektronenstrahllithographie kombiniert mit abwechselnder Entwicklung/Auflösung von PMMA/LOR-Mehrfachschichten.

(a) Elektronenstrahlbelichtung, gefolgt von einer Entwicklung auf PMMA durch den Entwickler von MIBK:IPA und einer Auflösung auf LOR durch eine Alkalilösung. (b) Nach der EBL wird vor der endgültigen Auflösung in einer Alkalilösung ein Gratgitter gebildet. (c) Ein abschließender Auflösungsprozess erzeugt PMMA/Luft-Zweige als Lamellenmehrschichten. (d) Die gefertigte Flügelschuppe mit ausgerichteten Lamellenschichten.

Zitierweise für diesen Artikel: Zhang, S. und Chen, Y. Nanofabrikations- und Farbstudie von künstlichen Morpho-Schmetterlingsflügeln mit ausgerichteten Lamellenschichten. Wissenschaft. Rep. 5, 16637; doi: 10.1038/srep16637 (2015).

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Die gesamte Forschung an der Fudan-Universität wurde durch den Pump-Priming-Fonds von Prof. Yifang Chen im Rahmen seines Tausend-Talent-Programms finanziell unterstützt. Die Autoren danken dem Serviceteam der Fakultät für Mikroelektronik der Fudan-Universität für die Bereitstellung der modernen Nanofabrikationsanlage bei der Erstellung dieses Papiers. Wir danken auch Ideaoptics Instruments Co.Ltd in Shanghai, China, für die Bereitstellung der optischen Messeinrichtung.

Nanolithographie- und Anwendungsforschungsgruppe, School of Information Science and Engineering, Fudan-Universität, Shanghai, 200433, China

Sichao Zhang und Yifang Chen

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YC konzipierte die Idee und lieferte technische Beratung. SZ hat die Experimente und Simulationen entworfen und durchgeführt. YC und SZ analysierten die Daten und verfassten gemeinsam den Artikel.

Die Autoren geben an, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 27. Juli 2015

Angenommen: 16. Oktober 2015

Veröffentlicht: 18. November 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep16637

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