在奈米級薄膜上，飛秒鐳射實現全彩色無油墨列印

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，由此産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。這一過程並未用到“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，嘗試利用超快鐳射在材料表面製造微納結構以産生結構色。

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複合薄膜作為特殊“紙張”，在其表面利用超快鐳射進行微納加工，實現“飛秒鐳射無墨彩印”，為鐳射無油墨彩色列印技術的産業化應用提供了新思路。

全球範圍內，印表機的年銷售量可達上億台。目前廣泛使用的噴墨或鐳射彩色印表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。

在超快鐳射列印技術中，鐳射既是“筆”，也負責製作有特殊結構的陶瓷材料。“比如各類傳統的防偽碼紙面，應用鐳射誘導紙面微觀組織光柵可産生彩虹色，在防偽方面有一定的應用價值，但不能産生指定顏色的圖案。”研究人員介紹，這類技術也被用於紀念幣的列印，但存在列印色域較窄、只能在貴金屬表面産生、成品容易褪色等情況。

科技日報記者了解到，此次技術突破的核心首先在於，團隊發明瞭一種新穎的“紙”——厚度不過約110奈米、僅為頭髮絲千分之一的複合陶瓷薄膜。

這種“紙”分為3層：最底層是呈金屬性的氮化鈦，作為光的反射層，用於阻擋光線穿透並增加亮度；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，當超快鐳射作用於氮化鋁鈦表面，會額外形成一層以氧化鋁為主的透明薄膜，它和氮化鋁鈦一起，調控吸收到的自然光。

同時，該團隊用鐳射在陶瓷薄膜上進行“雕刻”：將鐳射投在薄膜上後，通過控制入射鐳射的能量或掃描速度，便可同時改變氧化膜（氧化鋁）和氮化鋁鈦膜的厚度；在厚度改變後，入射的自然光將通過3層膜結構之間的複雜干涉效應，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，對鐳射著色的區域進行材料分析，證實觀察到的色彩的確來自鐳射誘導形成的氧化層。

目前，仇旻團隊發明的“飛秒鐳射無墨彩印”技術，可同時實現高速度和高分辨的全彩色無油墨列印，能夠呈現出接近90%的RGB標準顏色系統，優於當前主流的鐳射著色技術。