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孔雀羽毛與光子晶體

結構色具有不同於色素色的特性,甚至永不褪色,
擁有著極為重要的應用前景。

文 / 資 劍、劉曉日(任教上海復旦大學物理學系)

始於二十世紀中葉的微電子革命,帶來了積體電路、晶片、電腦、行動電話這些連小學生都耳熟能詳的東西,深刻地改變了人類從生活到科技的方方面面,使人類進入了資訊時代,其核心就基於能操縱電子流動的半導體材料。

圖一:在半導體矽上刻蝕週期小孔陣列形成的光子晶體,小孔直徑約為250奈米。光通信波段1.55微米的光在小孔陣列中不能傳播,將沿著人為設計的通道傳播。(中國科學院物理所李志遠教授提供)

新穎光電技術—光子晶體

操控光的流動一直是人類的夢想。可以預測,這一目標一旦實現,對人類帶來的影響必將不亞於微電子革命。一個重要的原因是作為資訊載體,光子擁有電子所沒有的優勢,即速度快、帶寬大、相互間幾乎沒有影響。

受半導體中電子傳播特性的啟發,美國科學家亞伯龍諾維其(Eli Yablonovitch, 1946~)和加拿大科學家約翰(Sajeev John, 1957~)在二十世紀八十年代末分別獨立提出了光子晶體(photonic crystal)這一新概念。即將兩種或以上的光學材料,按照某種空間結構作週期性地排列。與電子在半導體中傳播的情形相似,光子在光子晶體中的傳播行為,也將會受到人為引入的週期性空間結構所改變,表現出與體塊材料完全不同的特性,形成與半導體中電子能帶結構類似的光子能帶結構(photonic band structure)。在光子能帶結構中,頻率落在光子能帶中的光波,可以在光子晶體中傳輸。光子能帶之間有可能沒有交疊,即出現所謂的光子帶隙(photonic band gap)。頻率落在光子帶隙中的光波是無法在光子晶體中傳播的。由於光子帶隙之特性類似與半導體中的電子帶隙,因而光子晶體有時也被形象地稱為光半導體。倘若在光子晶體中引入缺陷通道,即可形成類似於電子線路(亦即運動路徑)的光子線路,那麼光就會沿著預先設定的通道傳播,進而達到如願操控光束傳播運動的目的。

由於其優異的光學特性,用光子晶體可以製作光子集成(integrated)光路、光子晶片,以及全新原理的高性能光子器件。在資訊科技等領域中,它顯現出重要的應用前景。例如,用光子晶體器件來替代傳統的電子器件,資訊處理的速度將會快得無法想像。自從提出光子晶體器件以來,它們受到國際科技界的高度重視,投入了很大的力量,進行科學研究
和技術開發,已經形成一門蓬勃發展的新學科。

天然的光子晶體

事實上,自然界早就存在著光子晶體。蛋白石(opal)是一種產於澳洲的彩色寶石,它是由150~300 奈米的透明二氧化矽小球、週期性密堆排列而成的光子晶體。當自然光照射到蛋白石時,其中某些顏色的光能透過,而有些顏色的光則被強烈地反射。這些光入射到我們的眼睛時,就會顯現出絢麗的七彩。大自然處在地質成礦階段時,這種鬼斧神工居然也被一些昆蟲在漫長的物種演化時習得了。科學家發現某些象鼻蟲(weevil)的鞘翅展現出明亮的色彩,就是來源於鞘翅上鱗片內是幾丁質(chitin)小球密堆而成類似於蛋白石光子晶體的結構。

色彩的形成機制—色素色、結構色

我們周遭的世界是斑斕多彩的,自然界產生色彩的主要來源有兩種途徑,其一為色素,另一種則為結構色。色素色是最普遍和常見的顏色,來自於色素有選擇性地吸收某些顏色的光,而反射和散射其他色彩的光,如紅色素之紅色是由於其吸收了黃、綠和藍色的光。結構色的起源與色素色完全地不同,它是由干涉、繞射和散射等光學效應所造成。我們熟知的肥皂泡的顏色是由於肥皂薄膜的干涉,光碟的色彩源於其中凹槽陣列的繞射,而天空的藍色則是大氣分子對光散射的結果,這些顏色都與色素無關,它們是結構色。

結構色普遍存在於自然界中,如某些昆蟲、蝴蝶、鳥類羽毛、海洋生物、動物皮膚,甚至植物都會呈現出明亮的結構色。自然界中產生結構色的結構種類形形色色,有薄膜、多層膜、繞射光柵,甚至是光子晶體。孔雀的羽毛,就是由光子晶體產生結構色的一個典型例子。

圖二:雄性孔雀的藍、綠、黃、棕彩色小羽枝的可見光反射譜。(作者提供)

孔雀羽毛為何特別漂亮?

孔雀或許是世界上色彩最斑斕的鳥類,雄性孔雀的尾部拖著長長的羽翎,根根綴著由藍、綠、黃、棕等彩色小羽枝構成的「眼圈」紋圖。開屏時,反射出鮮豔奪目的虹彩光澤。這種美麗引起人們無限的遐思,認為它象徵著神聖、愛情、純潔和重生。孔雀羽毛絢麗色彩的起源,也引起了虎克、牛頓、邁克爾遜等許多科學巨匠們的極大興趣。不過真正揭開這個起源的秘密,則是我們幾年前的研究工作。

我們用電子顯微鏡觀察了這些不同色彩小羽枝的微觀結構,發現小羽枝的皮層是光子晶體,它是由角蛋白為基、其上鑲嵌著二維週期排列的黑色素小柱子,並且陣列式地排列而構成。在各個小柱子之間,還存在著空氣小孔所形成的陣列。黑色素和角蛋白都是常見的生物材料,黑頭髮的黑色就是來源於黑色素,而指甲中的成分就是角蛋白。

七彩羽翼的奧秘

電子顯微鏡觀察告訴我們,不同顏色小羽枝所形成的光子晶體結構,均非常地相似,其中的差異來自於黑色素小柱子間的不同間距。藍色、綠色和黃色小羽枝中黑色素小柱的排列,都呈現出方形結構,其間距分別約為140、150、160奈米。就因為這小小的差異,導致小羽枝的呈現出不同的顏色。從測量得到的可見光反射譜中,可以看到它的反射峰。它們分別位於470 、530和570 奈米處,正好對應到可見光譜段中的藍色、綠色和黃色範圍。經過理論分析發現,由於干涉和散射的聯合效應,小羽枝中的光子晶體對光具有選擇性反射的性質。如綠色小羽枝中光子晶體的禁帶,恰好對應到綠光的光子波長。所以小羽枝們對綠光有很強的反射效果,而其他顏色的光卻可以通過光子晶體,而呈現出綠色。皮層光子晶體對光的選擇性反射,主要取決於黑色素小柱子們的間隔。若間距不同,則會使孔雀羽毛的光子禁帶不同。這樣,反射光的顏色就會不同,進而造成小羽枝不同的色彩。

圖三:(左)小羽枝的電子顯微鏡橫截面圖,兩邊的皮層是有序的光子晶體結構。(右)小羽枝皮層的光子晶體結構橫截面示意圖,灰色部分為角蛋白,黑色圓點代表黑色素小柱子,白點是空氣小孔。(作者提供)

至於孔雀羽毛中棕色的小羽枝,則和上面所述的結構略有不同。棕色是一種混合色,沒有藍、綠、黃小羽枝顏色那麼樣的鮮豔。在可見光反射譜中,它呈現的不是單一峰。在電子顯微鏡中,我們也能觀察到棕色小羽枝中黑色素小柱子的排列,它是一種長方形結構。其在垂直羽枝表面方向的尺度較大,約為185奈米。所以,這種結構主要反射自然光中的紅色波段。由於棕色小羽枝的皮層厚度最小,會導致很強的費布力–佩若(Fabry Perot)干涉現象。在可見光中的藍色波段內,形成另外一個反射峰。最終,藍色和紅色混合,呈現出較為黯淡的棕色色彩,以襯托尾羽中眼斑的靚麗,這真是大自然的巧奪天工啊!另外還有一微妙之處,那就是棕色小羽枝平行於皮層方向的黑色素小柱子之尺度和綠色小羽枝160奈米的間距相仿。因此,當雄孔雀不再炫耀其美麗羽毛時,若在斜射方向觀察,則會看到雅緻的綠色,重又融入森林的背景色中,這是一種典型的虹彩效應。

我們所揭示孔雀羽毛調控色彩的策略,非常地精妙。意即,利用奈微尺度的光子晶體,稍微地變化其結構參數,就可獲得不同色彩的結構色。結構色具有許多色素色所沒有的美妙特性,如虹彩色澤、高亮度和色彩飽和度。一旦改變結構,就可以改變顏色,而且永不褪色。因而,在生物仿生製備新型環境的友好顏料、顯示等領域中,結構色擁有著極為重要的應用前景。同時,從研究自然界光子晶體調控光顯現的策略中,我們可以獲得意想不到的靈感和啟發,進而為未來的科技、設計、製備出新型的光子結構材料和器件。

轉載自《科學月刊》第四十三卷第十二期

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