Study of optical properties of flexible photonic crystal in polycarbonate and polyethylene

本研究以陽極氧化鋁膜背阻障層均勻排列之奈米半球結構為基板，製作奈米模具，再利用奈米熱壓印技術將奈米半球結構轉印於不同材料，製備彈性光子晶體結構。為達成最佳壓印成效，本研究藉由實際實驗，分析溫度、壓力及持續時間等不同熱壓印參數對Polycarbonates (PC)及Polyethylene (PE)熱壓印成品之表面結構的影響，並分別找出最佳熱壓印參數；藉由搭配不同入射光及繞射光之角度，比較不同材料之結構顯色特性，並找出最佳顯色條件；再進一步藉由拉伸彈性光子晶體結構，分析結構顯色變化與拉伸形變之關聯性。In this study, the uniformly distributed nano-hemisphere array of the back barrier of anodic aluminum oxide (AAO) was used as the substrate for making the nickel nano-mold. The nano-hemisphere structure was transferred to different polymers by nano hot embossing using the nickel nano-mold to produce flexible photonic crystal structures (FPCS). In order to achieve the best imprinting results, this study analyzed the effects of different parameters of nano hot embossing such as temperature, pressure, and duration on the surface structure of the imprinted FPCS on polycarbonates (PC) and polyethylene (PE) by actual experiments. Optimal operation parameters for each material were obtained, respectively. By adjusting different angles of incident light and respective diffractive light spectrums, the structural coloration properties of each material were analyzed. In addition, we investigated the relationship between structural coloration and structural deformation by stretching elastic photonic crystal structure.摘要 i Abstract ii 目錄 iii 圖目錄 vi 表目錄 x 第一章、緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 研究目的 2 第二章、文獻回顧 3 2.1 光子晶體 3 2.1.1 一維光子晶體 4 2.1.2 二維光子晶體 4 2.1.3 三維光子晶體 6 2.2 光子晶體之結構顯色 7 2.2.1 陽極氧化鋁光子晶體 8 2.3 奈米轉印技術(Nanoimprint Technology, NIL) 9 2.3.1 熱壓印技術(Hot embossing) 9 2.3.2 步進光感轉印技術(Step and Flash Imprint Lithography, S-FIL) 10 2.3.3 可撓性奈米轉印技術(Soft Lithography) 11 第三章、材料與方法 13 3.1 光子晶體薄膜之製備 13 3.1.1 陽極氧化鋁(AAO)製程 13 3.1.2 奈/微米電鑄鎳模具製作 17 3.1.3 奈米結構轉印製程 18 3.2 光子晶體表面特徵觀察及結構顏色觀測 20 3.2.1 熱場發射掃描式電子顯微鏡檢測 20 3.2.2原子力顯微鏡檢測 21 3.2.3 數位相片之拍攝裝置 21 第四章、結果與討論 23 4.1 陽極氧化鋁膜背阻障層及奈/微米電鑄鎳模具之表面奈米結構 23 4.1.1 陽極氧化鋁膜背阻障層之奈米半球結構觀測 23 4.1.2 陽極氧化鋁膜背阻障層及奈/微米電鑄鎳模具之表面奈米結構特徵分析 24 4.2 不同彈性材料之熱壓印參數設定 26 4.2.1 Polycarbonates (PC)材料之熱壓印參數 27 4.2.2 Polyethylene (PE)材料之熱壓印參數 32 4.3 熱壓印材料之表面結構特徵分析 36 4.4 不同彈性材料做為光子晶體之結構顏色探討 38 4.4.1 不同入射光角度與觀測角度之結構顏色 38 4.4.2材料彎曲變形對於結構顯色之影響 43 4.4.3材料拉伸變形對於結構顯色之影響 47 第五章、結論與未來展望 51 5.1 結論 51 5.2 未來展望 52 使用具有顏色之材料做為轉印材料 52 圖案化光子晶體 52 高彈性光子晶體 52 參考文獻 5