多色日光可见蛋白石全息术的喷墨印刷外文翻译资料

 2022-01-07 23:13:02

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多色日光可见蛋白石全息术的喷墨印刷

摘要

全息喷墨印刷是制造防伪装置和全色成像的前瞻性技术。本文介绍了一种利用光子胶体晶体生产多色蛋白石全息图的方法。本文介绍了使用均聚苯乙烯球(直径分别为315,450和550 nm)的透明油墨在纸上直接印刷全息图的方法。在奥内佐格数理论指导下，通过改变流变参数制备并优化了油墨。在变化的干燥温度下和不同层数上，在硅晶片，载玻片和光泽相纸上形成蛋白石状结构。并深入研究了液滴形态对其光学性质的影响。首次实现并报道了通过对径向分布函数的傅立叶变换来计算印刷液滴中胶体球的有序排序相对值，进而研究印刷缺陷和咖啡环对印刷液滴中总颗粒顺序的影响的方法。收集的数据具有直接应用价值且可用于未来的打印技术。

1 简介

3D胶体晶体，也称为人造蛋白石光子晶体，由于它们的光学性质而受到极大关注。 首次报道[1]时他们被认为是光子的半导体，现在它们有望用于光学、微电子、微光子和能源。[2,3]夹带胶体晶体的水凝胶晶体可应用于化学传感器，[4,5] pH和湿度传感器。[6]

近年来，人造蛋白石的更有趣的应用是全息成像。这种胶体晶体自组装成高度有序的3D封闭填充fcc（面中心立方）六方晶格，并在可见光谱中产生光子带隙（PBG）。当入射光频率与PBG相等时，通过晶体的光波将与晶体结构相互作用，产生一个衍射峰。入射角可以调整反射最大值，进而可以通过调节粒径产生具有角度依赖性的彩虹全息图像。全息术作为防伪方法在包装行业中用于生产全息标签的应用，甚至应用于艺术，为类似蛋白石的微结构物的使用来替代现有技术提供了机会。[7]

传统的强力薄膜配方，如重力沉降胶体结晶，声波辅助铸造，[8]通过静电相互作用的熵力的自组装或垂直沉积胶体晶体，会因溶剂蒸发而产生毛细引力而不能在图像微图案中提供准确的定位，需要额外的准备步骤，耗时高且可扩展性低。[10]在我们的工作中，我们使用喷墨打印技术，与上述方法相比，这种经济高效的技术允许在任何基板上的从各种材料中逐步形成高分辨率微结构，沉积液滴直径为30-50mu;m，精度为plusmn;2mu;m。喷墨印刷可以将液体或散状物沉积到胶体中。喷墨印刷的过程包括将定量的液相或散状材料以稳定胶体的形式喷射到腔室中，然后使用压电陶瓷柔性板减少腔室的体积。这将形成液滴并将其喷射到基板上。如今，喷墨印刷广泛用于印刷聚合物发光二极管（PLED）器件，[11]紫外光固化复合材料，[12]波导和微透镜，[13]和生物应用传感器。[14,15]喷墨印刷对于生产无颜料色泽结构作为彩色干涉结构，[16]偏振和发光器件或用于全息聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜的保存和图案定制也很有吸引力。[17,18]光子胶体晶体的喷墨印刷技术的迷人之处在于可以通过调整与角度相关的粒径来制备高分辨率可扩展的全彩色图像的可能性。由于用于喷墨印刷的光子胶体晶体主要使用二氧化硅结晶球，[19]硫化镉和聚苯乙烯。[20,21] 由于印刷图案具有高可见度，硫化镉球具有非常高的折射率（RI = 2.5），此外还有诸如有毒、具有非球面多面体形状和窄角度依赖性缺点，但却仅产生像从黄色变为橙色的弱颜色变化。二氧化硅球体具有低折射率、低可见度，因而限制了可以印刷二氧化硅的可能基材组。在目前的工作中，我们使用聚苯乙烯球，因为它们是无毒、透明、完全可回收且具有相对高的RI，使其在整个光谱中具有广角依赖性并且可以获得真实的全息图像。

由于喷嘴尺寸限制了墨水中球体的最大浓度，因此难以在原始表面上印刷理想填充的网格，以便在具有高接触角的基材中获得最佳结果。在大多数致力于胶体球的喷墨印刷的工作中，多通过表面改性来增大接触角。特别是，它是常用的有机硅化合物，例如，十八烷基三氯硅烷（OTS），[21-23]六甲基二硅氮烷（HMDS）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）。[19,21]在我们的工作中，我们并没有进行表面处理而直接使用原始硅片，载玻片和光面相纸。一方面，尽管它大大增加了晶格的顺序但能降低最终产品的生产成本;另一方面，尽管有高阶结构，但它使基板反射率的显着降低，进而降低了全息图案的可见性。

将蛋白石状结构喷墨印刷到具有低接触角的基材上将形成随机紧密堆积和局部规则的缺陷。[22]众所周知，晶格中的缺陷会导致布拉格峰的加宽，从而导致反射光强度的损失。[24] 由于光子晶体的光学特性受到不同的缺陷的影响，[25]重要的是要了解球体在沉积过程中和干燥后的液滴中的表现。对于胶体晶体，存在两种可能的缺陷产生方式 - 颗粒的不均匀分散和晶格紊乱。为了获得最佳光学性能，聚苯乙烯球的粒度分布必须低于某一临界值，例如，delta;le;60％。[26]

由液滴形成的胶体晶体的结构很大程度上取决于液滴和基质之间的接触面积、分散介质的成分、[27]球体的浓度和干燥速率。[22,28]为了估计类晶体体系的紊乱值，我们使用了对相关函数，也称为径向分布函数（RDF）。该函数表示在距原点一定距离处找到粒子的概率。通过对RDF的傅立叶变换，可以获得系统有序度的定量值的结构函数。这种估计广泛用于宏观结构和坚固的胶体晶体薄膜[26,29]，但在这项工作中，首次显示了有序度将如何改变喷墨印刷液滴的微观结构。

对上述因素的控制的组合使得，在各种未经处理的材料(光滑或是粗糙)的表面上获得全息涂层。

2.结果与讨论

2.1 聚苯乙烯颗粒表征

当球体通过凝聚生长时，通过改变氯化钠浓度获得不同的粒径，这与体系的离子强度密切相关。[30,31] 在反应混合物中的低离子强度下，颗粒在合成过程的早期阶段彼此排斥而不形成大球。而在高浓度的氯化钠下，颗粒则更频繁地碰撞。

图1b显示了由动态光散射法测量的合成聚苯乙烯球的尺寸分布。测量结果表明所获得的颗粒具有非常窄的尺寸分布，其平均尺寸分​​别为315,450和550nm，这意味着它们可以自组装成高度有序的3D密集fcc六角形晶格。聚苯乙烯溶胶是稳定的，测得的平均zeta电位为-44 mV，这表面它可以安全地用于喷墨印刷。

图1 遵循Bragg-Snell定律的光与聚苯乙烯晶格相互作用的示意图。 a）theta;是入射角，d111是晶面间距，b）聚苯乙烯球的尺寸分布，c）作为粒径和入射波角的函数的反射波长图，和d）反射波长与入射角的相关性。

2.2 喷墨打印参数

图2是在喷射液滴中喷墨印刷胶体分散体和聚苯乙烯自组装的过程。 喷射结束后，液滴沉积在基板上，其直径很大程度上取决于表面自由能。[22]

图2 喷墨打印过程的可视化

按需喷射（DOD）产生液滴需要液体满足特定的流变和流体动力学参数。[32]其中最重要的是雷诺数和奥内佐格数

(1)

(2)

式中⍴，𝜂和𝛾分别是制备油墨的密度、粘度和表面张力，V是喷射液滴的速度，d是打印头喷嘴的直径。在Dimatix墨盒中，d等于21 mu;m。雷诺数表示惯性力和粘性力之间的比率，而奥内佐格数表示在不考虑驱动力时粘度和表面张力之间的关系。，我们只能通过调节粘度，表面张力和液滴速度来直接影响印刷性能。为了理解这些参数的影响有多大，我们使用下面的操作图（图3），其坐标轴表示雷诺数和奥内佐格数。[33]在该图中，我们从理论上计算了聚苯乙烯（PS）墨水的流体动力学参数。对油墨可印刷性的影响最小的是表面张力，其不包括在雷诺方程中，并且随着其从25到70mN·m-1的增加，奥内佐格数的小幅减少。通过调节液滴速度，我们可以从图的低能区转移到最佳的可印刷区，而不会影响油墨的形成。影响奥内佐格数和雷诺数最关键的参数是粘度，并且通过其变化，从普遍的粘性力区域直接移动到低粘力部分时，大液滴分裂成数滴小液滴。

图3 显示按需喷墨系统中稳定印刷适性的操作方案的示意图。

此外，我们定义了参数Z = 1 / Oh，当其值在10gt; Zgt; 4的范围内[34] 时，才能保证稳定的液滴产生。在上图和方程式（1）和（2）代入我们的油墨粘度𝜂= 7 cP，表面张力𝛾= 42 mN·m-1，下落速度V = 7 ms-1. 该点在图中表现为三个参数矢量的交点， 其对应于下列参数，其值符合理论要求：

（3）

（4）

（5）

通过流变学特性调节所得分散体以适合于喷墨印刷。 图S1b（支持信息）显示了水与BRIJ 30（聚氧乙烯月桂醚）的表面张力与表面活性剂浓度的关系。从该曲线可以看出，表面活性剂的最佳用量为每1 m L油墨含有25mu;L1％（体积）BRIJ 30溶液，表面张力约为42 m N m – 1。通过混合一体积份的聚苯乙烯溶胶和两份乙二醇，得到所需的7cP粘度。制备的油墨的详细表征列于表1中。

表1 油墨性质

液滴形成的稳定性不仅可以用油墨组合物调节，而且可以用波形 - 电压曲线调节，波形 - 电压曲线通常分为3-5个部分（图4）。每个部分表征持续时间（区段的时间长度），高低（最大电压的百分比）和转换速率（腔室容积变化的速度）。可以确定前两个区段对聚苯乙烯球的印刷过程具有最显着的影响。因为我们的油墨含有高浓度的PS颗粒并且它们的尺寸大于常规油墨的尺寸，所以在压下流体腔室打印头后随即将电压降低到零以使腔室达到其最大体积至关重要。在电压达到其最大值的第三段之后，下一步需要让喷嘴从喷嘴上滴落形成液滴（图5）。

图4 喷墨打印系统的波形。

通过所有这些参数和设置，在图5中我们可以观察到，我们成功在高达5 kHz的喷射频率下保持最优的性能。

图5 稳定下降的生命周期

2.3 聚苯乙烯光子晶体的光学性质

聚苯乙烯光子晶体在可见光谱中产生PBG。 光波通过晶格并与结构相互作用（图1a），产生衍射峰，其频率对应于PBG。[1]

入射角可以调整反射最大值，这些观察结果由Bragg-Snell定律描述[35]

（6）

其中m是衍射级，lambda;max是反射光的最强波长， d111是六方晶格的（111）面之间的晶面间距离，neff是PCC的有效折射率，theta;i是光相对于法线的入射角。 有效折射率由以下等式计算

由于聚苯乙烯球体具有面心立方结构，因此体积分数fps等于0.74。[36]

(7)

从上面的等式（7）可知，聚苯乙烯球晶格的有效折射率为1.41。使用Bragg-Snell定律（等式（4）），建立了聚苯乙烯粒径和入射光角度最强的反射波长图（图1c）。为了获得多色图像，使用粒度为315,450和550nm的墨水（图1b），其在小角度显示出蓝色，绿色和红色（图1d）。

2.4 表面特性对PS全息图可视性和包装性的影响

喷墨技术较易改变，可以在硅，玻璃和纸基材上进行不同的印刷制得图像。印刷在表面上的三种颜色的调色板具有颜色角度依赖性和高可视性。得到的图像具有高度的填充且没有缺失的线条，这使得图像即使在日光条件下也是明亮可读的（图6）。

喷墨印刷的蛋白石全息术的可见性与基底表面的光学性质密切相关。因此，虽然硅晶片具有光滑且有光泽的表面、极高的镜面反射来观察印刷图案的全色衍射，但纸张也具有高反射系数（70-80％），且在可见光谱中抑制薄PS组装结构并使反射峰略微移动。

为了研究基材光学性质和接触角对全息效果可见度的影响，将其印刷到载玻片，光面相纸和硅片上。它们的接触角和沉积液滴的扫描电子显微镜（SEM）图像显示在图7中。

对于接触角低于90°的典型高能表面，沉积的液滴由于固 - 液 - 气相遇的三相接触线而形成薄膜层。因此，液滴的边缘比中心干燥得快得多，接触线防止液滴扩散，这会使液滴从帽状变为具有固定基部直径的盘状。[23]液滴体积随蒸发而降低，含有悬浮颗粒的悬浮液倾向于充满于残留的逐渐消耗的溶剂。因此，堆叠的胶体附聚物随着流入颗粒的添加而径向生长。沉积液滴的这种行为使得胶体聚苯乙烯球体形成平面环状结构。[37-39]

图7. a）不同表面上的水滴及其接触角的图像和b）沉积在不同表面上的PS墨滴（角落中的液滴直径）。

图6.在a-c）硅晶片，d，e）载玻片上的印刷蛋白石全息照片和在不同入射角下的f，g）光泽相纸（在左角提供）。

表面照相纸通常涂有二氧化钛颜料和高吸收性材料以防止墨水扩散，但接触角较大而产生较大的墨滴直径。根据结构因子计算，印刷在光泽相纸上的液滴比有更高接触角的其他基板具有更高的相对有序性。印刷的水滴甚至还有咖啡环，其中PS颗粒在其中心包裹着更大的簇。在高光泽的相纸中，光线主要反射，这使得它在室光下可见，但仅有灯的眩光（图6f，g）。

载玻片的接触角为20.4°。由于接触角最小，PS墨滴从表面扩散，产生非常弱的填充。由毛细管力引起的附近颗粒组装成每个最多10-20个颗粒的小团簇，这产生可见的衍射

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资料编号：[1876]

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