CN112654581A - 在其一个表面上具有纳米结构以产生结构颜色的金刚石及生产其的方法 - Google Patents

Abstract

金刚石，其包含：至少一个表面；和在所述金刚石的所述至少一个表面上形成的多个纳米结构，其中所述多个纳米结构在所述金刚石的所述表面上产生一种或多种结构颜色。

Description

在其一个表面上具有纳米结构以产生结构颜色的金刚石及生 产其的方法

发明领域

本发明涉及在其一个表面上具有纳米结构以产生结构颜色的金刚石及生产其的方法。本发明可应用于例如宝石、珠宝、光子学、光学和其它工业领域。

背景

当光与金属纳米结构相互作用以在自由电子的振荡的共振下选择性地反射或透射光的波长导致等离子体现象时，可以产生结构颜色。通过利用该现象，已经实现了超过光的光学衍射极限的高分辨率图像，例如100,000点/英寸(dpi)。

然而，等离子体共振现象仅可发生在沉积在介电纳米结构上的导电膜(例如，Au或Ag金属膜)上。金属膜的沉积需要复杂的制造步骤，这些步骤通常是昂贵的。此外，沉积的金属膜可能不能持续长时间，使应用寿命短。尽管如此，通过导电膜上的等离子体共振现象产生的颜色可能具有有限的颜色(即，CIE色域中的小子集)和非最佳色饱和度。

发明概述

在一个实施方案中，金刚石包括至少一个表面和多个纳米结构。在所述金刚石的所述表面上形成所述多个纳米结构。所述多个纳米结构在所述金刚石的所述表面上产生一种或多种结构颜色。

在另一个实施方案中，提供了形成显示结构颜色的金刚石的方法。所述方法包括提供所述金刚石的表面的步骤。所述方法进一步包括在所述金刚石的所述表面上形成多个纳米结构的步骤。当用可见光照射时，所述多个纳米结构产生结构颜色。

附图简述

结合附图考虑以下详细描述，所公开的技术的进一步的特征、它们的性质和各种优点将是显而易见的，在附图中，相似的参考符号始终表示相似的部件，并且其中：

图1A和1B分别显示，根据一个实施方案，具有在金刚石的表面上形成的多个纳米结构的示例性金刚石的横截面图和透视图，其中多个纳米结构在金刚石的表面上产生结构颜色。

图2A和2B显示，根据一个实施方案，当直径(D)和间隙(g)变化时分别从反射模式和透射模式产生的示例性颜色效应。

图3显示，根据一个实施方案，图2A中的两个红色识别框的光谱分析。

图4显示根据一个实施方案的示例性宝石产品。

图5显示，根据一个实施方案，形成产生结构颜色的金刚石的示例性方法的流程图。

详细描述

图1A和1B分别显示，根据一个实施方案，具有在其表面上形成的多个纳米结构的示例性金刚石的横截面图和透视图，其中这些多个纳米结构产生结构颜色。如在图1A中所示，金刚石100包括表面122和从本体110竖直延伸的多个纳米结构121。

在一个实施方案中，金刚石100可以是：任何金刚石类型(例如IIa型、Ia型等)、任何来源(例如开采的、高压高温(HPHT)和化学气相沉积(CVD))，并且适用于任何应用，例如电子应用、光学应用、机械应用等。

此外，金刚石100也可以具有杂质和/或缺陷。具有这些杂质和/或缺陷的金刚石可以显示固有颜色。在一个示例性实施方案中，具有氮杂质的实验室生长的金刚石可以具有棕色固有颜色。具体地，氮浓度在每十亿份中5份(ppb)至每百万份中十份(ppm)之间的金刚石可以显示从浅棕色跨越至深棕色的棕色的固有颜色。

应当理解，图1A中的金刚石100可以是整块金刚石或仅仅是大金刚石的一部分(例如金刚石的表面)。如果金刚石100是整个金刚石，则其也可以称为金刚石板。或者，金刚石100仅仅是大金刚石的一部分，则大金刚石可以是大金刚石板或大宝石。

如在图1A中所示，表面122是本体110的顶表面。表面122的条件和/或特性在产生结构颜色中是重要的。在一个示例性实施方案中，表面122可以具有特定的晶体取向(例如，晶体取向[100]、[110]或[111])。应当理解，不同的晶体取向可以影响最终由纳米结构121产生的最终结构颜色。

在另一个示例性实施方案中，形成纳米结构121的表面122是氢封端的(H-封端的)表面。H-封端的表面包括氢封端(H-封端)的薄层，其行为类似于金属层，尽管没有金属层的沉积。在一个实施方案中，H-封端的表面与多个纳米结构121一起可以产生等离子体效应，由此将产生结构颜色。

应当理解，H-封端的金刚石表面行为类似于金属层，因为其吸引负极性离子(例如表面吸附物(水分子))的高电偶极矩，并且这导致在表面处产生空穴累积层。此外，H-封端的金刚石表面具有强的表面电导率，这归因于其负电子亲和力(EA-)加上水接触角在71°和79°之间的强疏水性(并因此强亲油性)。

或者，表面122可以是氧封端的(O-封端的)表面。O-封端的表面包括氧封端(O-封端)的薄层。与H-封端的金刚石表面相反，O-封端的金刚石表面具有正电子亲和力，这指示其具有强亲水性。金刚石的O-封端的表面可以具有比碳更高的电负性，这归因于正电子亲和力(EA+)。

在另一个替代实施方案中，金刚石的表面可以具有H-封端和O-封端两者(未显示)。例如，表面可以具有专用作H-封端的区域，而另一区域专用作O-封端的区域。包括H-封端和O-封端的实施方案可以实现产生结构颜色的开/关切换，尽管具有相同的纳米结构。在表面上H-封端和O-封端的组合也可以有助于控制光干涉(即相长干涉或相消干涉)。

在另一个替代实施方案中，金刚石的表面可以是非平面表面(未显示)。非平面表面也可以称为(即，三维(3D)表面)。

仍然参考图1A，纳米结构121从表面122竖直延伸。在一个实施方案中，纳米结构121由与本体110相同的材料组成。在另一个实施方案中，纳米结构121可以使用自组装方法形成，以在表面122上形成正纳米结构或负纳米结构。

应当理解，纳米结构121也可以称为“纳米柱(nanopost)”。术语“纳米柱”基本上是指从表面122向上延伸的纳米结构121。在一个实施方案中，纳米结构121可以具有特定的横截面形状。例如，横截面形状可以是纳米盘，或更具体地，正方形、圆形、三角形、椭圆形、六边形、八边形、多边形和其它三角学横截面形状。在另一个实施方案中，纳米结构可以以通过不同的横截面形状分组(未显示)。例如，一组纳米结构的组可以具有第一横截面形状，而另一组纳米结构可以具有与第一横截面形状不同的第二横截面形状。术语“横截面形状”是指垂直于纳米结构121的竖直对称轴而切穿纳米结构的横向平面的形状。

此外，当从顶部观察时，纳米结构121还可以具有特定形状。图1B说明当从顶部观察时的圆形形状的纳米结构121，其在纳米结构121为圆柱形形式时形成。在一个实施方案中，当从顶部观察时，纳米结构可以采用的其它形状包括矩形、正方形、六边形、八边形、多边形和其它三角学形状。在另一个实施方案中，当从顶部观察时，纳米结构可以通过不同的形状分组(未显示)。例如，一组纳米结构当从顶部观察时可以具有第一形状，而另一组纳米结构当从顶部观察时可以具有与第一形状不同的第二形状。

如在图1A的实施方案中所示，每个纳米结构121可以由其尺寸参数限定，例如顶表面的长度(t)、高度(h)和两个相邻的纳米结构之间的距离(b)。关于图1B，当纳米结构121是圆柱形时，顶表面的长度也可以由D(直径)表示，并且两个相邻的纳米结构之间的距离由g(间隙)表示。

在一个实施方案中，顶表面的长度(t)或(D)可以在100纳米(nm)至500 nm之间的范围，高度(h)小于500 nm，并且两个相邻的纳米结构之间的距离(b)或(g)可以在40 nm至200 nm之间的范围。应当理解，尺寸参数取决于制造纳米结构的技术和方法，并因此不应认为是限制性的。

应当理解，顶表面、底表面和侧壁表面的平滑度对于产生特定的结构颜色是关键的。在一个实施方案中，纳米结构的顶表面、纳米结构之间的底(bottom)/底(floor)表面、空腔型纳米结构的底表面和纳米结构的侧壁表面的平滑度可以小于20 nm。取决于实现平滑度的能力，纳米结构的顶表面、纳米结构之间的底/底表面、空腔型纳米结构的底表面和纳米结构的侧壁表面的表面平滑度可以小于1 nm。

对于产生特定的结构颜色重要的另一个因素是侧壁角(或者也可以称为纳米结构的垂直度)。在一个实施方案中，纳米结构的侧壁角可以小于5°。在优选的实施方案中，并且取决于用于产生纳米结构的技术和方法，纳米结构的侧壁角可以小于1°。

对于产生特定的结构颜色重要的另一个因素是：(i)直线，(ii)边缘的锐度和(iii)限定纳米结构的结构精度的拐角的曲率。在一个实施方案中，限定纳米结构的周期性的平行线/空间的阵列的线边缘粗糙度(LER)小于5nm。

应当理解，CVD金刚石生长技术能够通过控制以下的密度和分布来控制和设计材料折射率：(i)在CVD生长期间引入晶格中的杂质，(ii)空位，(iii)位错，和/或(iv)缺陷。在分子水平设计金刚石性质的能力与纳米结构的制造相结合可以实现独特的光学特性，例如之前未观察到的光学衍射。

图2A-2B说明性地而非限制性地说明根据本发明的一个实施方案的变化的尺寸参数对结构颜色的影响。图2A-2B两者由显示不同结构颜色的多个框210和220表示。每个框210和220包围9微米(μm)×9 μm的区域，并且包括该区域内的多个纳米结构。在一个实施方案中，在框210和220内形成的纳米结构可以类似于图1A的纳米结构121。在每个框内形成的纳米结构可以以周期性方式和/或以阵列构造布置。

每个框210和220包括多个纳米结构。这些纳米结构也可以称为“纳米柱”。然而，每个框在以下方面与另一框不同：(i)两个相邻的纳米结构(即，邻近的纳米结构)之间的边缘到边缘的距离(由“g”表示)，(ii)纳米结构的直径尺寸(由“D”表示)。应当理解，相邻的周期性纳米结构之间的中心到中心的距离称为“间距”，并且可以定义为(D+g)，其中对于圆形形状，D限定纳米结构的横截面尺寸。参考图2A和2B，右上角具有最大间距值和最大直径值，而左下角具有最小间距值和最小直径值。

在一个实施方案中，由于来自磁场和电场的高折射率共振两者的光的衍射，产生结构颜色的变化，所述高折射率共振是由作为介电材料的金刚石与行为类似于散射光栅的周期性纳米结构的阵列组合而产生的。由于材料和周期性纳米结构的组合而产生的光学衍射产生一个或多个特定波长的过滤，由此产生结构颜色。散射也可以称为“Mei散射”。纳米结构阵列中的尺寸(D或L)和间隙(g)形成二维(2D)光栅，其中光场遵循材料介电常数和磁导率的周期性，因此光干涉导致在可见光范围的波长处的共振，并形成像素中的颜色。当纳米结构散射选择具有以最小损耗和足够强度限制光的共振的可见光的波长(以反射模式或透射模式)时，可以在光学明场显微镜中检测相应的颜色。由此，本领域技术人员将能够通过控制纳米结构的尺寸和纳米结构之间的间隙来改变结构颜色。此外，而且通过对已知产生结构颜色的方式的扩展，人们可以形成图像。

图2A显示当直径(D)和间隙(g)变化时由于反射模式而产生的结构颜色。在一个极端，其为右上角，当纳米结构的直径为500 nm并且框210内的两个连续纳米结构之间的间隙为500 nm时，框210提供蓝色结构颜色(即，暗结构颜色)。在另一极端，其为左下角，当纳米结构的直径为10 nm并且框210内的两个连续纳米结构之间的间隙为10 nm时，框210提供无色效应。然而，在右下角和左上角的框210显示相同的结构颜色。这清楚地指示具有类似纳米结构周期性的框210将显示类似的颜色。图2A还显示通过改变纳米结构的直径和间隙而产生的反射模式中的结构颜色的大色域。

另一方面，图2B显示当直径和间隙变化时由于透射模式而产生的结构颜色。在一个极端，其为左下角，当纳米结构的直径为500 nm并且框210内的两个连续纳米结构之间的间隙为500 nm时，框220给出灰色的结构颜色。在另一极端，其为右上角，当纳米结构的直径为10 nm并且框220内的两个连续纳米结构之间的间隙为10 nm时，框220给出无色效应。类似于图2A，在右下角和左上角处框220显示相同的结构颜色。此外，图2B还显示通过改变纳米结构的直径和间隙而产生的透射模式中的结构颜色的大色域。

应当理解，图2A和2B的每个框210或220的结构颜色也可以分别根据所透射的光的波长而变化。这可以通过对如在图3中所示的两个红色虚线框230和240内的框210的光谱分析来观察。

图3说明性地而非限制性地说明图2A的两个红色虚线框230和240内的框210的光谱分析。由1-6表示的多个彩色线指示图2A中的框210。例如，线1指示位于框230的底侧和框240的左侧的框210。相反，线2指示位于框230的上侧和框240的右侧的框210。

光谱中的每条线1-6显示峰和谷。光谱中的谷指示高比例的吸收，而峰指示高比例的反射。例如，线1的谷指示较小直径的纳米结构是由于盘的功率吸收，以及在较小程度上是由于背反射面的功率吸收。它们一起在该波长下充当抗反射层。相反，大直径纳米结构(如线4)的谷是由宽纳米结构之间的干涉的结果。在该条件下，光功率通过间隙在纳米结构周围流动。峰对应于散射强度的增加。对于较大直径的纳米结构，由于它们的散射强度增加，因此其被增强。在直径保持恒定而间隙尺寸变化的水平面中，颜色逐渐从红色变为绿色。

在一个实施方案中，具有不对称几何形状的纳米结构也可能影响结构颜色。例如，在矩形形状的纳米结构中，其中边缘由Lx (X方向上的长度)和Ly (Y方向上的长度)限定，结构颜色开始随着偏振角而变化。例如，当Lx=50 nm并且Ly=60 nm时，颜色从0°的浅红色变为90°的黄色。然而，当Lx=180 nm并且Ly=60 nm时，颜色从0°的暗红色变为90°的浅红色。

此外，由金刚石本体产生的固有颜色(如在图1A中所述)可以与纳米结构组合以进一步贡献不同的颜色变化并进一步增强色域，所述色域可以简单地通过添加纳米结构或简单地通过具有杂质来实现。例如，初始棕色金刚石将影响由纳米结构产生的反射或透射的颜色，以此方式使得最终颜色将是两者的组合。由无色金刚石上的纳米结构产生的颜色与由具有例如棕色的金刚石上的纳米结构产生的颜色之间的比较表明亮度以及饱和度和色调的色坐标将是不同的。

在另一个实施方案中，如果将具有纳米结构的金刚石退火(热处理)和/或用高能颗粒或辐射(电子、质子、中子、γ等)照射，则众所周知它们会改变金刚石的固有颜色。这是因为对内部缺陷和/或杂质的影响。这些方法允许杂质和空位迁移和/或改变晶格缺陷(填隙和空位)，因此金刚石本体的颜色将改变。这将改变作为来自表面上的纳米结构与来自经处理的金刚石本体的颜色的组合而产生的颜色，导致甚至更宽的色域。

在另一个实施方案中，纳米结构可以形成非平面表面。换句话说，纳米结构可以在具有不同高度的多个水平的平台上以宏观/微观尺度形成。由于这些非平面表面，尽管纳米结构具有相同的尺寸和间隙，但所产生的颜色将不同。在非平面表面上形成的纳米结构可能有助于产生3D衍射图案效应或全息图案。控制颜色产生的另一个附加因素导致色域的增加，所述色域由金刚石上的纳米结构的3D图案形成。

因此，在一个示例性实施方案中，本领域技术人员能够通过使用在图2A、2B和3中公开的结构颜色变化和/或通过使用不对称几何形状、本体颜色和退火来形成结构颜色板(structural colours palate)。结构颜色板可以由多个像素组成，其中每个像素可以由单个纳米结构或用于显示红色、绿色和蓝色(RGB)的一组纳米结构来定义。使用该像素，可以实现105点/英寸(d.p.i)或更大的高分辨率彩色图像。该分辨率可以通过控制每个像素的尺寸而改变。例如，通过减小每个像素的尺寸可以增加分辨率。在每个像素区域内，纳米结构可以以规则阵列或均匀分布放置，或者可以随机放置但保持相邻的纳米结构之间的间距g。

此外，彩色图像可以使用明场照明观察到。可以获得分辨率高达光学衍射极限的明场彩色图像。颜色信息可以编码在纳米结构的尺寸参数和位置中，使得纳米结构的调谐可以确定各个像素的颜色。各种图像的彩色成像可以应用于创建具有高分辨率、清晰的颜色变化和精细的色调变化的全色图像或微图像。

图4说明性地而非限制性地显示根据本发明一个实施方案的本发明在宝石上的一种应用。宝石400包括具有多个纳米结构410的多个表面。目的是在表面上形成这些多个纳米结构410，以在用光照射表面时产生结构颜色。纳米结构充当待产生的颜色的衍射光栅。如以上讨论的，纳米结构内的光学衍射导致在与结构尺寸和设计成比例的特定波长处的共振。这在反射和透射模式两者中都发生。金刚石将增强颜色选择性，并加宽色域、视角独立性(angle view independency)和色饱和度。在一个实施方案中，纳米结构410可以类似于图1A的纳米结构121。

如在图4的实施方案中所示，宝石400是圆钻型切割(round brilliant cut)形式。然而，应当理解，宝石金刚石可以是各种其它金刚石切割。例如，在替代实施方案中，宝石金刚石可以是公主切割(princess cut)、垫型切割(cushion cut)、祖母绿切割(emeraldcut)等形式。本领域技术人员理解，切割对金刚石的光彩有很大的影响。

金刚石切割构成琢面的对称布置，这些琢面一起改变宝石金刚石的形状和外观。例如，宝石400具有58个琢面(对于圆钻型切割来说琢面的数量)。宝石金刚石的每个琢面通常是平面表面。在一个实施方案中，每个表面可以类似于图1A的表面110。

仍然参考图4的实施方案，仅在位于宝石400的上半部处的琢面上形成纳米结构。由于这些纳米结构而产生的结构颜色包围宝石金刚石的整个顶表面。然而，应当理解，也可以在位于宝石金刚石的下半部或宝石金刚石的选定表面的琢面上形成纳米结构。

图5说明性地而非限制性地说明形成显示结构颜色的金刚石的方法的流程图。在一个实施方案中，由图5中的方法形成的金刚石可以类似于图1A的金刚石100或宝石(如图4的宝石400)。

在步骤510处，提供金刚石的表面。在一个实施方案中，该表面可以类似于图1A的表面110。在提供表面之前，制备表面是必要的。如图1A所述，该表面是H-封端的表面。关于具有CVD来源的金刚石，由于其生长可以获得H-封端的表面。具体地，在CVD生长的混合物内，作为主要气体组分的氢气(即，大于90%是H2)导致加氢的金刚石表面封端。

在一个实施方案中，表面的电导率可以通过将表面暴露于酸性蒸气而增加。此外，过氧化氢(氧的电化学还原中的中间体)也可以增加加氢。

金刚石的表面包括小于1 nm的平滑度并且必须在整个区域上是平坦的。应当理解，光在纳米结构内的衍射尤其取决于表面平滑度和平坦度。

在步骤520处，在金刚石的表面上涂布抗蚀剂。本领域技术人员理解可以涂布到金刚石的表面上的抗蚀剂的类型。涂布抗蚀剂，使得可以在表面上进行如步骤530中提及的暴露。在一个实施方案中，抗蚀剂可以是硬掩模，例如HSQ、Ni-Ti和Al。硬掩模用于制造具有高纵横比的金刚石纳米结构。

在步骤530处，通过光刻暴露金刚石表面上的选定区域。在一个实施方案中，选定区域类似于其中待形成纳米结构的区域。或者，选定区域可以类似于其中可以根据步骤540进行刻蚀的区域。

在替代实施方案中，通过电子束(e-beam)光刻，暴露金刚石表面上的选定区域。电子束光刻是扫描聚焦电子束以在覆盖有称为抗蚀剂的电子敏感膜的表面上绘制定制形状(暴露)的实践。电子束改变抗蚀剂的溶解度，使得能够通过将抗蚀剂浸入溶剂中(显影)而选择性地去除抗蚀剂的暴露的或非暴露的区域。

在步骤540处，刻蚀金刚石的表面以形成多个纳米结构。刻蚀过程可以将图案转移到金刚石的表面上。在一个实施方案中，在步骤540之后的最终产品可以类似于在图1A中所示的实施方案。

在一个实施方案中，可以利用干刻蚀技术来进行图案向金刚石的转移。或者，可以利用感应耦合等离子体反应离子刻蚀(ICP/RIE)进行图案向金刚石的转移。

应当理解，典型的RIE方法包括形成等离子体，其中离子被加速朝向基材，并因此可以物理地去除材料。该方法在金刚石上形成图案的抗蚀剂/树脂材料之间的选择性低，并因此对于高分辨率、高密度和高纵横比的金刚石表面的纳米图案化来说不总是理想的。在一个示例性实施方案中，在10-100 mTorr压力下制备用于CVD生长的机械加工的单晶金刚石表面的氧-氟化碳(O2-CF4)气体混合物是合适的。

另一方面，ICP刻蚀方法是化学刻蚀方法，其中等离子体用于将刻蚀气体分解成自由基(即中性物质)和离子(即带电物质)。在等离子体之间存在间隙，其在距离正刻蚀的基材遥远的距离形成。在等离子体和正刻蚀的金刚石之间的间隙中，在等离子体中产生的绝大部分离子被去除。因此，到达金刚石的大多数物质是中性的。由于基材中较高能态的原子，例如具有扩展的晶格缺陷的区域(例如受损区域)中的原子，更容易刻蚀，则这种类型的刻蚀通常优先刻蚀扩展的晶格缺陷的区域，使表面粗糙化。

干刻蚀技术优选用于钨硬掩模。如在步骤520中提及的，硬掩模与干刻蚀技术一起可以使得能够形成高纵横比纳米结构。

在一个实施方案中，用于等离子体刻蚀的ICP等离子体气体混合物由惰性气体和氯组成，并且所述惰性气体是氩、氦、氖、氪、氙或这些中的一种以上的混合物，并且其中满足以下条件：(a)等离子体刻蚀的表面的粗糙度Rq小于原始表面的粗糙度，并且等离子体刻蚀的表面的Rq小于1 nm。(b)在等离子体刻蚀之前，原始金刚石表面已经进行机械处理，并且其中等离子体刻蚀的表面基本上没有由于机械抛光过程造成的残余损伤。

必须改变刻蚀参数以获得纳米结构的垂直度、直线和尖锐/弯曲的拐角。刻蚀方法需要优化刻蚀参数，包括功率(以瓦计)、压力、气体类型和刻蚀持续时间，这些参数也取决于纳米图案的类型。

尽管以特定顺序描述了方法操作，但是应当理解，可以在所描述的操作之间进行其他操作，可以调节所描述的操作，使得它们在略微不同的时间发生，或者所描述的操作可以分布在允许处理操作在与处理相关联的各种间隔发生的系统中，只要以期望的方式进行覆盖操作的处理。

上述内容仅仅是对本发明原理的说明，并且在不背离本发明的范围和精神的情况下，本领域技术人员可以进行各种修改。

在一个实施方案中，金刚石，其包含：至少一个表面；和在所述金刚石的所述至少一个表面上形成的多个纳米结构，其中所述多个纳米结构在所述金刚石的所述表面上产生一种或多种结构颜色。

如在上述实施方案中所定义的金刚石，产生选自由以下组成的感知的组的视觉感知：图像感知、深度感知和尺寸感知。

如在上述实施方案中所定义的金刚石，其中所述多个纳米结构内的纳米结构在形状上是相同的。

如在上述实施方案中所定义的金刚石，其中所述多个纳米结构内的纳米结构被分类为至少两种不同的形状。

如在上述实施方案中所定义的金刚石，其中所述纳米结构的形状由从垂直于所述表面的方向观察的横截面面积限定，并且可以选自：三角形、矩形、六边形、八边形、多边形、圆形和椭圆形形状。

如在上述实施方案中所定义的金刚石，其中所述多个纳米结构内的纳米结构根据至少两个不同的高度分类。

如在上述实施方案中所定义的金刚石，其中所述多个纳米结构内的纳米结构以周期性构造布置。

如在前述实施方案中任一项所定义的金刚石，其中至少两个相邻的纳米结构分开范围在40纳米(nm)和200 nm之间的距离。

如在前述实施方案中所定义的金刚石，其中所述周期性构造足够大，以产生通过人眼视觉上可辨别的所述结构颜色。

如在前述实施方案中任一项所定义的金刚石，其中每个纳米结构的横截面长度在100 nm-500 nm之间的范围，并且从所述金刚石的所述至少一个表面延伸小于500 nm的距离。

如在前述实施方案中任一项所定义的金刚石，其中每个纳米结构包含顶表面、底表面和侧表面，其中所述顶表面的表面平滑度小于10 nm，所述侧表面的表面平滑度小于20nm，并且所述底表面的平滑度小于10 nm。

如在前述实施方案中任一项所定义的金刚石，其中所述多个纳米结构内的一组纳米结构具有与所述多个纳米结构内的另一组纳米结构不同的一种或多种性质。

如在前述实施方案中任一项所定义的金刚石，其进一步包含：在所述金刚石的所述表面上形成的另外的多个纳米结构，其中另外的多个纳米结构在所述金刚石的所述表面上产生其它结构颜色，其中所述结构颜色与所述其它结构颜色不同。

如在前述实施方案中任一项所定义的金刚石，其进一步包含在与所述金刚石的所述表面不同的平面上的所述金刚石上的另一表面，其中所述另一表面包含多个纳米结构。

如在前述实施方案中任一项所定义的金刚石，所述金刚石为开采的、CVD或HPHT金刚石。

如在前述实施方案中任一项所定义的金刚石，其中所述金刚石固有地为有色的金刚石。

如在前述实施方案中任一项所定义的金刚石，其中通过气态封端使所述至少一个表面官能化，所述气态封端选自由以下组成的气态封端的组：氢封端和氧封端。

在另一个实施方案中，另一种金刚石，其包含：至少一个表面；和在所述金刚石的所述至少一个表面上形成的多个纳米结构，其中所述多个纳米结构在所述金刚石的所述至少一个表面上产生视觉感知。

如在上述实施方案中所定义的金刚石，其中所述视觉感知选自由以下组成的感知的组：颜色感知、深度感知和尺寸感知。

在替代实施方案中，形成显示结构颜色的金刚石的方法，所述方法包括：提供所述金刚石的表面；和在所述金刚石的所述表面上形成多个纳米结构，其中当用可见光照射时，所述多个纳米结构产生结构颜色。

如在上述实施方案中所定义的方法，其中形成所述多个纳米结构进一步包括：刻蚀所述金刚石的所述表面以形成所述纳米结构。

如在上述实施方案中所定义的方法，其中所述刻蚀使用感应耦合等离子体反应离子刻蚀(ICP/RIE)。

如在上述实施方案中所定义的方法，其中当进行所述ICP/RIE时，气体组合物由选自以下的气体组成：惰性气体和氯，并且其中所述惰性气体是氩、氦、氖、氪、氙或这些中的多于一种的混合物。

如在上述实施方案中所定义的方法，其中形成所述多个纳米结构进一步包括：在所述金刚石的所述表面上涂布一层抗蚀剂；使用光刻技术，暴露在所述金刚石的所述表面上的选定区域；和在所述金刚石的所述表面上使纳米图案显影。

如在上述实施方案中所定义的方法，其中所述光刻技术选自：电子束刻写、质子束刻写、聚焦离子束、激光干涉光刻、自组装光刻、嵌段共聚物光刻(BCP)和阳极氧化铝(AAO)光刻。

如在上述实施方案中所定义的方法，所述方法进一步包括：用气态封端使所述表面官能化，所述气态封端选自由以下组成的气态封端的组：氢封端和氧封端。

如在上述实施方案中所定义的方法，所述方法进一步包括：在所述金刚石的所述表面上形成另外的多个纳米结构，其中当用可见光照射时，所述多个纳米结构产生另外的结构颜色。

Claims (27)

1.金刚石，其包含：

至少一个表面；和

在所述金刚石的所述至少一个表面上形成的多个纳米结构，

其中所述多个纳米结构在所述金刚石的所述表面上产生一种或多种结构颜色。

2.根据权利要求1所述的金刚石，其进一步产生选自由以下组成的感知的组的视觉感知：图像感知、深度感知和尺寸感知。

3.根据前述权利要求中任一项所述的金刚石，其中所述多个纳米结构内的纳米结构在形状上是相同的。

4.根据前述权利要求中任一项所述的金刚石，其中所述多个纳米结构内的纳米结构被分类为至少两种不同的形状。

5.根据前述权利要求中任一项所述的金刚石，其中所述纳米结构的形状由从垂直于所述表面的方向观察的横截面面积限定，并且可以选自：三角形、矩形、六边形、八边形、多边形、圆形和椭圆形形状。

6.根据前述权利要求中任一项所述的金刚石，其中所述多个纳米结构内的纳米结构根据至少两个不同的高度分类。

7.根据前述权利要求中任一项所述的金刚石，其中所述多个纳米结构内的纳米结构以周期性构造布置。

8.根据前述权利要求中任一项所述的金刚石，其中至少两个相邻的纳米结构分开范围在40纳米(nm)和200 nm之间的距离。

9.根据前述权利要求中任一项所述的金刚石，其中所述周期性构造足够大，以产生通过人眼视觉上可辨别的所述结构颜色。

10.根据前述权利要求中任一项所述的金刚石，其中每个纳米结构的横截面长度在100nm-500 nm之间的范围，并且从所述金刚石的所述至少一个表面延伸小于500 nm的距离。

11.根据前述权利要求中任一项所述的金刚石，其中每个纳米结构包含顶表面、底表面和侧表面，其中所述顶表面的表面平滑度小于10 nm，所述侧表面的表面平滑度小于20 nm，并且所述底表面的平滑度小于10 nm。

12.根据前述权利要求中任一项所述的金刚石，其中所述多个纳米结构内的一组纳米结构具有与所述多个纳米结构内的另一组纳米结构不同的一种或多种性质。

13.根据前述权利要求中任一项所述的金刚石，其进一步包含：在所述金刚石的所述表面上形成的另外的多个纳米结构，其中另外的多个纳米结构在所述金刚石的所述表面上产生其它结构颜色，其中所述结构颜色与所述其它结构颜色不同。

14.根据前述权利要求中任一项所述的金刚石，其进一步包含在与所述金刚石的所述表面不同的平面上的所述金刚石上的另一表面，其中所述另一表面包含多个纳米结构。

15.根据前述权利要求中任一项所述的金刚石，其中所述金刚石为开采的、CVD或HPHT金刚石。

16.根据前述权利要求中任一项所述的金刚石，其中所述金刚石固有地为有色的金刚石。

17.根据前述权利要求中任一项所述的金刚石，其中通过气态封端使至少一个表面官能化，所述气态封端选自由以下组成的气态封端的组：氢封端和氧封端。

18.金刚石，其包含：

至少一个表面；和

在所述金刚石的所述至少一个表面上形成的多个纳米结构，

其中所述多个纳米结构在所述金刚石的所述至少一个表面上产生视觉感知。

19.根据权利要求18所述的金刚石，其中所述视觉感知选自由以下组成的感知的组：颜色感知、深度感知和尺寸感知。

20.形成显示结构颜色的金刚石的方法，所述方法包括：

提供所述金刚石的表面；和

在所述金刚石的所述表面上形成多个纳米结构，

其中当用可见光照射时，所述多个纳米结构产生结构颜色。

21.根据权利要求20所述的方法，其中形成所述多个纳米结构进一步包括：刻蚀所述金刚石的所述表面以形成所述纳米结构。

22.根据权利要求20或21所述的方法，其中所述刻蚀使用感应耦合等离子体反应离子刻蚀(ICP/RIE)。

23.根据权利要求20-22中任一项所述的方法，其中当进行所述ICP/RIE时，气体组合物由选自以下的气体组成：惰性气体和氯，并且其中所述惰性气体是氩、氦、氖、氪、氙或这些中的多于一种的混合物。

24.根据权利要求20-23中任一项所述的方法，其中形成所述多个纳米结构进一步包括：在所述金刚石的所述表面上涂布一层抗蚀剂；使用光刻技术，暴露在所述金刚石的所述表面上的选定区域；和在所述金刚石的所述表面上使纳米图案显影。

25.根据权利要求20-24中任一项所述的方法，其中所述光刻技术选自：电子束刻写、质子束刻写、聚焦离子束、激光干涉光刻、自组装光刻、嵌段共聚物光刻(BCP)和阳极氧化铝(AAO)光刻。

26.根据权利要求20-25中任一项所述的方法，所述方法进一步包括：用气态封端使所述表面官能化，所述气态封端选自由以下组成的气态封端的组：氢封端和氧封端。

27.根据权利要求20-26中任一项所述的方法，所述方法进一步包括：在所述金刚石的所述表面上形成另外的多个纳米结构，其中当用可见光照射时，所述多个纳米结构产生另外的结构颜色。

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