本发明涉及一种利用整片蝴蝶翅膀制作大面积、高精度薄膜型光栅器件的方法，包括鳞翅清洁粘固、多角度旋转蒸镀覆形金属薄膜、无气泡浇铸弹性背衬、翻卷揭模以吸离覆形金属薄膜、非触碰式清除弹性背衬等步骤。有益之处：（1）本发明可以在覆形金属薄膜上高效率成形出大面积、高精度仿蝶翅微沟槽型光栅微结构；（2）本发明在完整蝶翅表面采用多角度旋转蒸镀以沉积覆形金属薄膜的方法，可实现对斜楔形、小倾角蝶翅微结构的全覆盖、高精度捕捉覆形；（3）本发明采用翻卷揭模以吸离覆形金属薄膜的方法，利用了背衬材料易与光滑薄膜相吸合而粗糙鳞翅易与光滑薄膜相脱离的特性，有效保证了揭模过程中薄膜型光栅器件的大面积完整性。
1.利用整片蝴蝶翅膀制作大面积、高精度薄膜型光栅器件的方法，包括：第一步：蝴蝶鳞翅气吹清洁及全翅面粘贴固定
裁选翅面完整、无破损的新鲜蝴蝶成虫翅膀作为复制用生物模板，先用气吹球轻轻吹去鳞翅表面浮尘，再用防水胶带沿翅膀外缘轮廓采用压边方式将其粘贴固定于玻璃基片上，制得全翅面粘固生物模板；
选择复型精度高且固化后弹性好的复型高聚物作为背衬材料，先按比例配置其高分子预聚体，进而在浇铸夹具内对第二步蒸镀后的覆形金属薄膜进行预聚体浇铸，然后真空除气2min～4min后固化并脱去浇铸夹具，便在覆形金属薄膜外表面制得弹性背衬；
（A）将第一步制得的全翅面粘固生物模板安装于真空蒸镀室的基片夹具上，参照生物模板的鳞片倾角调整样品转轴与水平面的初始夹角处于小角度范围，以细晶粒金属作为蒸发源并采用1.5rps～3.0rps的样品转速在全翅面粘固生物模板表面蒸镀一层厚度为
（B）进一步调整样品转轴与水平面的二次夹角处于15°～20°范围内，保持与（A）步骤相同的样品转速在经（A）步骤蒸镀后的全翅面粘固生物模板表面再蒸镀一层厚度为
（A）根据蝴蝶翅膀的材质及结构特点，参考第一步中蝴蝶鳞翅的粘固方位，以弹性背衬上处于蝴蝶鳞片根部方向的边缘作为揭模起始边，以顺鳞片方向作为揭模方向；
（B）按照（A）步骤确定的揭模顺序及方向，利用背衬材料易与光滑薄膜相吸合而粗糙鳞翅易与光滑薄膜相脱离的材质、结构特性，采用翻卷揭模的方法将弹性背衬揭离由防水胶带压实的生物模板，该过程中覆形金属薄膜将吸附于弹性背衬而脱离鳞翅表面；
（A）将第四步获得的吸附有覆形金属薄膜的弹性背衬置于防护网罩内，综合考量覆形金属薄膜、弹性背衬和防护网罩的材质理化性质及其稳定性，采用适当的非触碰式方法去除覆形金属薄膜外表面所吸附的弹性背衬；
（B）利用裁切刀对经（A）步骤操作后的覆形金属薄膜进行边缘修整，然后利用有机溶剂和去离子水对其进行低扰度清洗以清除表面剩余杂质，进而在45℃～65℃条件下烘干便最终制得具有仿蝶翅沟槽微结构的薄膜型光栅器件。
2.根据权利要求1所述的利用整片蝴蝶翅膀制作大面积、高精度薄膜型光栅器件的方法，其特征在于：所述样品转轴与水平面的初始夹角为5°～10°。
3.根据权利要求1所述的利用整片蝴蝶翅膀制作大面积、高精度薄膜型光栅器件的方法，其特征在于：所述细晶粒金属为镍、铝、铜、铬。
4.根据权利要求1所述的利用整片蝴蝶翅膀制作大面积、高精度薄膜型光栅器件的方法，其特征在于：所述复型高聚物是聚二甲基硅氧烷、聚乙烯醇。
5.根据权利要求1所述的利用整片蝴蝶翅膀制作大面积、高精度薄膜型光栅器件的方法，其特征在于：所述非触碰式方法是高温烧蚀法、化学腐蚀法。
利用整片蝴蝶翅膀制作大面积、高精度薄膜型光栅器件的
方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种直接利用生物表面制作光栅器件的制作方法，更特别地说，是指一种利用整片蝴蝶翅膀制作大面积、高精度薄膜型光栅器件的方法，属于仿生制造技术领域。
背景技术
[0002] 蝴蝶是一种种类繁多、色彩斑斓的鳞翅目昆虫，全世界已发现17000余种，仅中国就有1300余种。蝴蝶翅膀上绚丽多彩的颜色或光泽主要用于伪装、恫吓、吸引异性等，普通的蝶翅颜色多为由化学色素构成的化学色，而带有光泽的颜色则为物理色或称结构色，是指由微结构本身的光特性所呈现出的带有各向异性的色彩。几乎所有的蝴蝶翅膀均由半透明的膜和覆于其上规则排布的若干细小鳞片构成，而鳞片表面布满宽度为几微米的等间距平行沟槽。当前，对具有化学色或物理色的蝴蝶翅膀进行微结构复制在光学微纳器件制造、吸波吸声材料制造、光伪装材料及其他功能材料制造领域具有重要的实际应用价值。例如，申请号为201410127205.6的中国专利公开了一种直接由薄脆型生物表面反向电铸出仿生复型表面的方法；申请号为20121024412.1的中国专利公开了一种基于蝴蝶翅膀单个鳞片生物模板制备磁性光子晶体的方法；申请号为20101057747.2的中国专利公开了一种具有蝴蝶翅膀光子晶体结构导电聚合物的制备方法。
[0003] 以光栅器件为例，光栅器件是指刻有大量平行等宽、等距狭缝或刻线的透光或不透光的光学元件。因此，从结构及尺寸角度考量，利用蝴蝶翅膀辅助制造薄膜光栅器件具有一定的可行性。上述有关利用蝴蝶翅膀制造仿生器件或光学元件的方法有一定的参考价值，但上述方法多局限于利用单个蝴蝶鳞片或小面积生物样本，且工艺复杂、不易操作、复制精度低，而该问题的解决将有助于推动与蝴蝶翅膀相关的仿生光学器件或功能材料实现更高层次、更大规模的工业化生产制造。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于，提供一种利用整片蝴蝶翅膀制作大面积、高精度薄膜型光栅器件的方法，以解决上述技术问题。
[0005] 本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：利用整片蝴蝶翅膀制作大面积、高精度薄膜型光栅器件的方法，包括以下步骤。
[0006] 第一步：蝴蝶鳞翅气吹清洁及全翅面粘贴固定裁选翅面完整、无破损的新鲜蝴蝶成虫翅膀作为复制用生物模板，先用气吹球轻轻吹去鳞翅表面浮尘，再用防水胶带沿翅膀外缘轮廓采用压边方式将其粘贴固定于玻璃基片上，制得全翅面粘固生物模板。
[0007] 第二步：蝴蝶鳞翅多角度旋转蒸镀覆形金属薄膜（A）将第一步制得的全翅面粘固生物模板安装于真空蒸镀室的基片夹具上，参照生物模板的鳞片倾角调整样品转轴与水平面的初始夹角处于小角度范围，以细晶粒金属作为蒸发源并采用1.5rps～3.0rps的样品转速在全翅面粘固生物模板表面蒸镀一层厚度为
300nm～350nm的覆形金属薄膜；
（B）进一步调整样品转轴与水平面的二次夹角处于15°～20°范围内，保持与（A）步骤相同的样品转速在经（A）步骤蒸镀后的全翅面粘固生物模板表面再蒸镀一层厚度为
300nm～350nm的同质覆形金属薄膜。
[0008] 第三步：覆形金属薄膜外表面无气泡浇铸弹性背衬选择复型精度高且固化后弹性好的复型高聚物作为背衬材料，先按比例配置其高分子预聚体，进而在浇铸夹具内对第二步蒸镀后的覆形金属薄膜进行预聚体浇铸，然后真空除气2min～4min后固化并脱去浇铸夹具，便在覆形金属薄膜外表面制得弹性背衬。
[0009] 第四步：弹性背衬翻卷揭模以吸离覆形金属薄膜（A）根据蝴蝶翅膀的材质及结构特点，参考第一步中蝴蝶鳞翅的粘固方位，以弹性背衬上处于蝴蝶鳞片根部方向的边缘作为揭模起始边，以顺鳞片方向作为揭模方向；
（B）按照（A）步骤确定的揭模顺序及方向，利用背衬材料易与光滑薄膜相吸合而粗糙鳞翅易与光滑薄膜相脱离的材质、结构特性，采用翻卷揭模的方法将弹性背衬揭离由防水胶带压实的生物模板，该过程中覆形金属薄膜将吸附于弹性背衬而脱离鳞翅表面。
[0010] 第五步：覆形金属薄膜外表面非触碰式清除弹性背衬（A）将第四步获得的吸附有覆形金属薄膜的弹性背衬置于防护网罩内，综合考量覆形金属薄膜、弹性背衬和防护网罩的材质理化性质及其稳定性，采用适当的非触碰式方法去除覆形金属薄膜外表面所吸附的弹性背衬；
（B）利用裁切刀对经（A）步骤操作后的覆形金属薄膜进行边缘修整，然后利用有机溶剂和去离子水对其进行低扰度清洗以清除表面剩余杂质，进而在45℃～65℃条件下烘干便最终制得具有仿蝶翅沟槽微结构的薄膜型光栅器件。
[0011] 所述样品转轴与水平面的初始夹角为5°～10°。
[0012] 所述细晶粒金属为镍、铝、铜、铬。
[0013] 所述复型高聚物是聚二甲基硅氧烷、聚乙烯醇。
[0014] 所述非触碰式方法是高温烧蚀法、化学腐蚀法。
[0015] 本发明的有益之处：（1）本发明采用先在蝶翅表面沉积覆形金属薄膜进而逐步清除其两侧生物模板及弹性背衬的方法，可以在覆形金属薄膜上高效率地成形出大面积、高精度仿蝶翅微沟槽型光栅微结构；（2）本发明在完整蝶翅表面采用多角度旋转蒸镀以沉积覆形金属薄膜的方法，充分利用了其晶粒细腻、填充性好、易于覆形、成膜均匀等优势，可以实现对斜楔形、小倾角蝶翅微结构的全覆盖、高精度捕捉覆形，有效保证了薄膜型光栅器件的复型逼真度；（3）本发明先浇铸弹性背衬再翻卷揭模以吸离覆形金属薄膜的方法，一方面利用了背衬材料固化前流动性好而固化后更易与光滑金属薄膜相吸合的材质特性，另一方面利用了蝶翅粗糙度大、脱附性好因而更易与光滑金属薄膜相脱离的结构特性，有效保证了揭模过程中薄膜型光栅器件的大面积完整性。
附图说明
[0016] 图1为本发明利用整片蝴蝶翅膀制作大面积、高精度薄膜型光栅器件方法流程图。
[0017] 图2为本发明实施例提供的蓝凤蝶翅膀微结构扫描电镜照片（×1000倍）。
[0018] 图3为本发明实施例提供的全翅面粘固生物模板示意图。
[0019] 图4为本发明实施例提供的全翅面粘固生物模板在真空蒸镀室内的安装示意图。
[0020] 图5为蒸镀覆形金属薄膜后全翅面粘固生物模板上各结构示意图。
[0021] 图6为在覆形金属薄膜外表面上无气泡浇铸弹性背衬示意图。
[0022] 图7为对固化后弹性背衬进行翻卷揭模以吸离覆形金属薄膜操作示意图。
[0023] 图8为本发明实施例经图7所示操作后得到的镍质覆形金属薄膜实物照片。
[0024] 图9为对图7中覆形金属薄膜进行背衬清除及修边后得到的薄膜光栅器件示意图。
[0025] 图中：1、玻璃基片 2、生物模板 3、防水胶带 4、真空蒸镀室 5、样品转轴 6、基片夹具 7、全翅面粘固生物模板 8、金属蒸气 9、蒸发源 10、鳞片 11、覆形金属薄膜 12、翅膜 13、浇铸夹具 14、弹性背衬 15、仿蝶翅光栅表面。
具体实施方式
[0026] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施例进一步阐述本发明。
[0027] 按照图1所示流程利用整片蓝凤蝶（pipevine swallowtail）翅膀制作具有仿蝶翅沟槽微结构的大面积、高精度薄膜型光栅器件。参照图2，蓝凤蝶翅膀上具有规则排列的微细鳞片，且每个鳞片上具有规则而复杂的微沟槽结构。
[0028] 第一步：蝴蝶鳞翅气吹清洁及全翅面粘贴固定参照图3，裁选翅面完整、无破损的新鲜蓝凤蝶成虫翅膀作为复制用生物模板2，先用气吹球轻轻吹去其表面浮尘，再用防水胶带3沿翅膀外缘轮廓将其粘贴固定于玻璃基片1上，使翅面无皱褶并与玻璃基片1贴合，制得全翅面粘固生物模板7。
[0029] 第二步：蝴蝶鳞翅多角度旋转蒸镀覆形金属薄膜（A）参照图4、图5，将第一步制得的全翅面粘固生物模板7固定于真空蒸镀室4内的基片夹具6上，考虑到所用蓝凤蝶翅膀上鳞片10的倾角约为5°，为保证蒸镀过程中由下部蒸发源9发出的金属蒸气8能尽可能多的进入到鳞片10底部并兼顾鳞上镀膜，调整样品转轴
5与水平面的初始夹角为9°；以细晶粒金属镍丝作为蒸发源9并保持2rps的样品转速在全翅面粘固生物模板7表面蒸镀一层厚度为350nm的覆形金属薄膜11；
（B）参照图4、图5，进一步调整样品转轴5与水平面的二次夹角为15°，保持2rps的样品转速在经（A）步骤蒸镀后的全翅面粘固生物模板7表面再蒸镀一层厚度为350nm的镍质覆形金属薄膜11。
[0030] 第三步：覆形金属薄膜外表面无气泡浇铸弹性背衬参照图6，选择复型精度高且固化后弹性好的聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为背衬材料，先按比例配置其高分子预聚体，进而在浇铸夹具13内对第二步蒸镀后的覆形金属薄膜11进行预聚体浇铸，然后真空除气3min后固化并脱去浇铸夹具13，便在覆形金属薄膜11外表面制得弹性背衬14。
[0031] 第四步：弹性背衬翻卷揭模以吸离覆形金属薄膜（A）参照图7，根据第一步中蝴蝶鳞翅的粘固方位，以弹性背衬14上处于蝴蝶鳞片10根部方向的边缘A作为揭模起始边，以顺鳞片方向作为揭模方向；
（B）参照图5、图7，按照（A）步骤确定的揭模顺序及方向，利用背衬材料PDMS易与光滑薄膜相吸合而粗糙鳞翅易与光滑薄膜相脱离的材质、结构特性，采用翻卷揭模的方法按图7中箭头A所示方向将弹性背衬14揭离由防水胶带3压实的生物模板2，该过程中覆形金属薄膜11将吸附于弹性背衬14而脱离由鳞片10、翅膜12所构成的鳞翅表面。
[0032] 由图8可以看出，经图7所示操作后得到的镍质覆形金属薄膜以蓝凤蝶翅膀阴模板的形态完整地吸附于透明的PDMS背衬上，且完全没有生物原型组织的残留，达到了无残留脱模的目的。
[0033] 第五步：覆形金属薄膜外表面非触碰式清除弹性背衬（A）将第四步获得的吸附有覆形金属薄膜11的弹性背衬14置于由304不锈钢做成的耐高温金属网罩内，综合考量镍质覆形金属薄膜11、PDMS质弹性背衬14和不锈钢金属网罩的材质理化性质及其稳定性，在不破坏镍质覆形金属薄膜11的前提下借助乙炔气体燃烧以点燃PDMS的非触碰式高温烧蚀方法去除其外表面所吸附的弹性背衬14；
（B）参照图7、图9，利用裁切刀对经（A）步骤操作后的覆形金属薄膜11进行边缘修整，然后利用二甲基甲酰胺(DMF)作为有机溶剂和去离子水对其进行低扰度清洗以清除PDMS燃烧后的剩余杂质，进而在60℃条件下烘干便最终制得具有仿蝶翅光栅表面15的薄膜型光栅器件。
[0034] 参照图8、图9，采用本发明实施例所制作的大面积薄膜型仿蝶翅器件由于以阴模板的形态高精度的继承了整片蓝凤蝶翅膀上的微米级沟槽微结构，成为具有大量平行等宽、等距刻线的不透光器件，因而从结构及尺寸角度完全可以用作薄膜型光栅器件。
[0035] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
