類金剛石碳（DLC）薄膜因高硬度、耐磨損特性，廣泛應用于刀具、模具等工業領域，其傳統顏色為黑色或灰色。近期，日本研究團隊通過等離子體化學氣相沉積（CVD）技術，將DLC薄膜厚度控制在20-80納米范圍內，首次實現對其結構色的精確調控。這一發現為材料的光學功能化提供了新方向。

等離子體CVD裝置示意圖

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結構色產生的物理機制

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結構色由光的干涉效應主導，而非化學染料。當光照射到薄膜表面時，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）共同決定增強的波長（λ）。實驗中DLC薄膜的折射率穩定在2.0，厚度成為唯一變量。

厚度調控波長：厚度增加時，干涉增強的波長向長波方向移動（如藍光→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系

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研究團隊通過改變沉積時間（4-15分鐘），制備了不同厚度的DLC薄膜，并觀察到以下規律：

DLC薄膜沉積時間與膜厚的關系

20-50納米：顏色從藍色（主波長450 nm）過渡到綠色（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在此處反轉，可能與多層干涉模式的切換相關。

薄膜厚度與激發純度（“pe”）之間的關系

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結構色的技術優勢

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與傳統色素染色相比，結構色具有顯著優勢：

耐久性：顏色由物理結構決定，無化學降解風險，適用于高溫、高磨損環境。

環保性：無需染料或涂層工藝，減少化學污染。

可編程性：通過調整薄膜厚度或結構，可精確設計目標顏色

結構色彩

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潛在應用場景

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工業設計：刀具、模具表面賦予標識性顏色，兼顧功能與美觀。

消費電子：手機、電腦外殼的永久性色彩方案，避免噴漆脫落問題。

光學器件：抗反射涂層、濾光片的低成本制備。

航空航天：衛星部件表面涂層，兼具耐磨性與熱控性能。

此研究揭示了DLC薄膜在光學領域的潛力，為開發新型結構色材料提供了理論依據。未來，結合納米級厚度控制與多層膜設計，有望實現更廣色域、更高純度的色彩調控。

FlexFilm單點膜厚儀

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FlexFilm單點膜厚儀是一款專為納米級薄膜測量設計的國產高精度設備，采用光學干涉技術實現無損檢測，測量精度達±0.1nm，1秒內即可完成測試，顯著提升產線效率。

1.高精度測量：光學干涉技術，精度±0.1nm，1秒完成測量，提升產線效率。

2.智能靈活適配：波長覆蓋380-3000nm，內置多算法，一鍵切換材料模型。

3.穩定耐用：光強均勻穩定（CV＜1%）年均維護成本降低60%。

4.便攜易用：整機＜3kg，軟件一鍵操作，無需專業培訓。

FlexFilm單點膜厚儀可結合DLC薄膜材料為精密制造提供了一把“快而準的尺子”，在半導體制造過程中實時監測薄膜的沉積和生長厚度。搭建各種光譜實驗平臺，實現對各種材料的光學特性、膜厚、材料的反射率、透過率等光譜特性的測試和分析實驗。

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

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