不用一滴油墨?超快激光可在納米級薄膜上作畫

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在自然界中，當光照射在細微處大量有序結構上，會發生折射、漫反射、衍射或干涉等反應，由此產生的顏色被稱作結構色，比如昆蟲和鳥類呈現出的彩色翅膀。這一過程并未用到“顏料”。西湖大學的仇旻教授和團隊成員從這個現象中獲得靈感，嘗試利用超快激光在材料表面制造微納結構以產生結構色。

近日，國際期刊《自然·通訊》刊登了該團隊的研究成果。研究人員將氮化鈦和氮化鋁鈦這兩種超硬陶瓷材料組成的復合薄膜作為特殊“紙張”，在其表面利用超快激光進行微納加工，實現“飛秒激光無墨彩印”，為激光無油墨彩色打印技術的產業化應用提供了新思路。

超快激光在復合陶瓷薄膜表面進行著色原理示意圖。

全球范圍內，打印機的年銷售量可達上億臺。目前被廣泛使用的噴墨或激光彩色打印機需要大量使用墨水或碳粉，墨水中含有一定濃度的鉛、鎘、汞、多溴聯苯等具有揮發性的有害物質，碳粉也會釋放出大量可被人體吸收的微顆粒，對環境與人體形成危害。相比墨水顏料，結構色具有不褪色、高分辨、環保等優點。

在超快激光打印技術中，激光既是“筆”，也負責制作有特殊結構的陶瓷材料。“比如各類傳統的防偽碼紙面，應用激光誘導紙面微觀組織光柵可產生彩虹色，在防偽方面有一定的應用價值，但不能產生指定顏色的圖案。”研究人員介紹，這類技術也被用于紀念幣的打印，但存在打印色域較窄、只能在貴金屬表面產生、成品容易褪色等情況。

記者了解到，此次技術突破的核心技術在于團隊發明了一種新穎的“紙”——厚度不過約110納米、僅為頭發絲千分之一的復合陶瓷薄膜。

這種“紙”分為三層：最底層是呈金屬性的氮化鈦，作為光的反射層，用于阻擋光線穿透并增加亮度;中間層是高損耗的氮化鋁鈦電介質，可調控對自然光的吸收;最頂層是氧化鋁，當超快激光作用于氮化鋁鈦表面，會額外形成一層以氧化鋁為主的透明薄膜，它將和氮化鋁鈦一起，調控吸收到的自然光。

同時，該團隊將激光在陶瓷薄膜上進行“雕刻”，將激光投在薄膜上后，通過控制入射激光的能量或掃描速度，便可同時改變氧化膜(氧化鋁)和氮化鋁鈦膜的厚度;在厚度改變后，入射的自然光將通過三層膜結構之間的復雜干涉效應，形成特定的反射顏色，豐富多彩的顏色就此成型。

研究人員利用多種技術手段如能量色散x射線、x射線光電子能譜、x射線衍射、聚焦離子束刻蝕對激光著色的區域進行材料分析，證實觀察到的色彩的確來自激光誘導形成的氧化層。

目前，仇旻團隊發明的“飛秒激光無墨彩印”技術，可同時實現高速度和高分辨的全彩色無油墨打印，能夠呈現出接近90%的RGB標準顏色系統，優于當前主流的激光著色技術。

關鍵詞： 研究人員 陶瓷材料 干涉效應 能量色散 通過控制