TW202000578A - 一種在其表面以奈米結構產生結構色的鑽石及其生產方法 - Google Patents

Abstract

一種鑽石，其包含至少一面；及鑽石的至少一面有多個奈米結構，其中在鑽石表面的多個奈米結構產生一種或多種結構色。

Description

一種在其表面以奈米結構產生結構色的鑽石及其生產方法

本發明係揭露一種在其一表面上具有奈米結構以產生結構色的鑽石及其生產方法。本發明適用於例如寶石，珠寶，光子學，光學及其他工業領域。

結構色的產生是當光與金屬奈米結構交互作用時，通過選擇性地反射或透射光波並在自由電子振盪的共振下，從而產生電漿子現象。通過利用此種現象，已實現了已超出光的光學繞射極限的高解析度影像，例如每英寸100,000點（dpi）。

然而，電漿子共振現象可能僅發生於沉積在電介質奈米結構上的導電膜（例如，Au或Ag金屬膜）上。金屬膜的沉積需要複雜的製造步驟，而這些步驟通常是昂貴的。此外，沉積的金屬膜可能不能耐久，使得其應用變得短暫。儘管如此，通過導電膜上的電漿子共振現象產生的顏色種類可能有限（即，CIE色域中的小子集）並導致非最佳顏色的飽和。

在一個具體實例中，鑽石包含至少一面及多個奈米結構。多個奈米結構形成在鑽石的表面上。多個奈米結構在鑽石的表面上產生一種或多種結構色。

在另一個具體實例中，提供了一種形成顯示結構色的鑽石的方法。該方法包含提供鑽石表面的步驟。該方法還包含在鑽石表面上形成多個奈米結構的步驟。當可見光照射時，多個奈米結構將產生結構色。

根據一個具體實例，圖1A和1B分別示出了在其表面上形成有多個奈米結構的例示性鑽石的橫斷圖和透視圖，其中這些多個奈米結構產生結構色。如圖1A所示出，鑽石100包含表面122和多個奈米結構121，奈米結構121垂直延伸自塊材110。

在一個具體實例中，鑽石100可以是：任何鑽石類型（例如，類型IIa，類型Ia等），任何來源（例如，開採，高壓高溫（HPHT）和化學氣相沉積（CVD））及適用於任何應用，如電子應用，光學應用，機械應用等。

另外，鑽石100也可具有雜質及/或缺陷。具有這些雜質及/或缺陷的鑽石可以顯示出本質顏色。在一個例示性具體實例中，實驗室生長具有氮雜質的鑽石可具有棕褐色本質顏色。具體說，氮濃度在十億分之五（ppb）至百萬分之幾十（ppm）之間的鑽石可以顯示出從淺褐棕色至深棕褐色的本質棕褐顏色。

應理解的是，圖1A中的鑽石100可以是整塊鑽石或僅僅是大鑽石的一部分（例如，鑽石表面）。鑽石100，如果是整個鑽石，也可以稱為鑽石板片。或者，鑽石100僅僅是大鑽石的一部分，那麼大鑽石可以是大鑽石板片或大寶石。

如圖1A所示，表面122是塊材110的頂部表面。表面122的條件及/或特性對於產生結構色是重要的。在一個例示性具體實例中，表面122可具有特定的結晶取向（例如，結晶取向[100]、[110]或[111]）。應理解的是，不同的結晶取向可以影響最終由奈米結構121產生的最終結構色。

在另一個例示性具體實例中，形成奈米結構121的表面122是氫端（H-端）表面。H-端表面包含薄層的氫端（H-端），儘管沒有金屬層的沉積，其特徵類似於金屬層。在一個具體實例中，H-端的表面與多個奈米結構121一起可以產生電漿子效應，從而產生結構色。

應理解的是，H-端的鑽石表面與金屬層的特徵類似，是因為它具有吸引負極性離子的高電偶極矩，例如表面吸附物（水分子），所以導致在表面處形成孔積層。此外，H-端的鑽石表面具有强勁的表面電導率，這歸因於其負電子親和力（EA-）加上強疏水性（因此具有強親性），及水接觸角在71°和79°之間。

或者，表面122可以是氧端（O-端）表面。O-端表面包含薄層氧端（O-端）。與H-端的鑽石表面相反，O-端的鑽石表面具有正電子親和力，表明其強親水性。鑽石的O-端表面可能具有比碳更高的電負度，這歸因於正電子親和力（EA +）。

在另一替代具體實例中，鑽石的表面可具有H-端和O-端（未示出）。例如，表面可以具有專屬於H-端的區域，而另一區域專屬於O-端。在一個具體實例中，即使擁有相同的奈米結構，包含H-端和O-端可以實現產生結構色的開/關切換。在表面上H-端和O-端的組合也可以幫助控制光干擾（即，相長干涉或相消干涉）。

在另一替代具體實例中，鑽石的表面可以是非平面表面（未示出）。非平面表面也可以稱為（即，三維（3D）表面）。

仍參考圖1A，奈米結構121垂直延伸自表面122。在一個具體實例中，奈米結構121由塊材110相同的材料構成。在另一個具體實例中，奈米結構121可以通過自組裝程序形成，以在表面122上形成正或負奈米結構。

應理解的是，奈米結構121也可以稱為“奈米柱”。術語“奈米柱”基本上是指從表面122向上延伸的奈米結構121。在一個具體實例中，奈米結構121可具有特定的橫斷面形狀。例如，橫斷面形狀可以是奈米盤，或更具體地是矩形、圓形、三角形、橢圓形、六角形、八角形、多角形和其他三角橫斷面形狀。在另一個具體實例中，奈米結構可以通過不同的橫斷面形狀（未示出）分組。例如，其中奈米結構組合中的一組可具有第一種橫斷面形狀，而另一組奈米結構可具有不同於第一種橫斷面形狀的第二種橫斷面形狀。術語“橫斷面形狀”是指橫向平面的形狀，其垂直於奈米結構121的垂直對稱軸切穿奈米結構。

此外，當從頂部觀察時，奈米結構121也可具有特定形狀。圖1B示出了當從頂部觀察時的圓形奈米結構121，其在當奈米結構121為圓柱形狀時形成。在一個具體實例中，從頂部觀察時，奈米結構的其他形狀可包含矩形、正方形、六角形、八角形、多角形及其他三角形狀。在另一個具體實例中，當從頂部（未示出）觀察時，奈米結構可以通過不同的形狀分組。例如，當從頂部觀察時，奈米結構組合中的其一組合可具有第一種形狀，而當從頂部觀察時，另一組合可具有第二種形狀，其不同於第一種形狀。

如圖1A的具體實例中所示，每個奈米結構121可以由其尺寸參數定義，例如頂部表面的長度（t）、高度（h）及兩個相鄰奈米結構（b）之間的距離。關於圖1B，當奈米結構121是圓柱形狀時，頂部表面的長度也可以由D（指直徑）和由兩個相鄰奈米結構之間的距離g（指間隙）所表示。

在一個具體實例中，頂部表面（t）或（D）的長度可以在100奈米（nm）至500 nm之間，高度（h）小於500 nm並且兩個相鄰奈米結構之間的距離（b）或（g）可以在40 nm至200 nm的範圍內。應理解的是，尺寸參數可以依賴於生產奈米結構的技術和程序，因此不應該被認為是有局限的。

應理解的是，頂部表面、底部表面和側壁表面的平滑度對於產生特定的結構色是至關重要的。在一個具體實例中，奈米結構的頂部表面、奈米結構之間的底部/底層表面、腔型奈米結構的底部表面和奈米結構的側壁表面的平滑度可小於20 nm。取決於實現平滑度的能力，奈米結構的頂部表面、奈米結構之間的底部/底層表面、腔型奈米結構的底表面和奈米結構的側壁表面的表面平滑度可小於1 nm。

產生特定結構色的另一重要因素是側壁角度（或者也可稱為奈米結構的垂直度）。在一個具體實例中，奈米結構的側壁角度可小於5°。在一個較佳具體實例中，取決於用於生產奈米結構的技術和方法，奈米結構的側壁角度可小於1°。

產生特定結構色的另一個重要因素是：（i）直線，（ii）邊緣的銳度及（iii）限定奈米結構的結構角精度的曲率。在一個具體實例中，限定奈米結構的週期性平行線/間隔陣列的線邊緣粗糙度（LER）係小於5 nm。

應理解的是，CVD鑽石生長技術能夠通過控制以下材料的密度及分佈來控制和設計材料折射率：（i）在CVD生長期間晶格摻入的雜質，（ii）空缺，（iii）差排及/或（iv）缺陷。在分子層面上設計鑽石的性質結合奈米程序可以獲取奈米結構獨特的光學特性，例如先前未觀察到的光繞射。

根據本發明的一個具體實例，圖2A-2B，説明但不限制，示出了尺寸參數的變化對結構色的影響。圖2A-2B皆由顯示不同結構色的多個方格210和220表示。每個方格210和220包圍9微米（μm）× 9 μm的區域，並且在該區域內包含多個奈米結構。在一個具體實例中，在方格210和220內形成的奈米結構可以類似於圖1A的奈米結構121。在每個方格內形成的奈米結構可以以週期性方式及/或以陣列形式佈置。

每個方格210和220包含多個奈米結構。這些奈米結構也可稱為“奈米柱”。但是，每個方格與另一個方格的區別在於：（i）兩個相鄰奈米結構（即，相鄰奈米結構）之間的邊角與邊角距離（由“g”表示），（ii）奈米結構的直徑尺寸（由“D”表示）。應理解的是，相鄰週期性奈米結構之間的中心距離稱為“節距”，並且可以定義為（D + g），其中D是用於限定奈米結構的橫斷面尺寸的圓形形狀。參考圖2A和2B，右上角具有最大節距值和最大直徑值，而左下角具有最小節距值和最小直徑值。

在一個具體實例中，由於來自鑽石作為介電材料的磁場和電場的高折射率共振的光繞射與週期性奈米結構的陣列結合，其性能類似於散射光柵而產生結構色的變化。由於材料和週期性奈米結構的組合的光繞射導致過濾特定波長，從而產生結構色。此散射也可稱為“米氏（Mei）散射”。奈米結構陣列中的尺寸（D或L）和間隙（g）形成的二維（2D）光柵，將光場遵循材料介電常數和磁導率的週期性，因此光干涉導致可見光範圍的波長的共振且形成像素中的顏色。當奈米結構散射選擇可見光的波長（在反射模式或透射模式中）時，利用共振限制具有最小的損耗及足夠的強度下的光，並且可以在光學明視野顯微鏡中檢測相應的顏色。因此，通常知識者將能夠通過控制奈米結構的尺寸和奈米結構之間的間隙來改變結構色。此外，通過擴展已明瞭產生結構色的方式，可以形成圖像。

圖2A示出了當直徑（D）和間隙（g）變化時由於反射模式而產生的結構色。在一個末端，即右上角，當奈米結構的直徑為500 nm並且方格210內的兩個連續奈米結構之間的間隙為500 nm時，方格210提供藍色結構色（即，暗結構色）。在另一末端，即左下角，當奈米結構的直徑為10 nm並且方格210內的兩個連續奈米結構之間的間隙為10 nm時，方格210提供無色效應。然而，右下角和左上角的方格210顯示相同的結構色。這清楚地表明了具有類似奈米結構週期性的方格210將顯示相似的顏色。圖2A還示出了通過改變奈米結構的直徑和間隙而產生的反射模式中的大色域結構色。

另一方面，圖2B示出了當直徑和間隙變化時由透射模式而產生的結構色。在另一末端，即左下角，當奈米結構的直徑為500 nm並且方格210內的兩個連續奈米結構之間的間隙為500 nm時，方格220給出灰色結構色。在另一末端，即右上角，當奈米結構的直徑為10 nm並且方格220內的兩個連續奈米結構之間的間隙為10 nm時，方格220呈現無色效應。類似圖2A所示，右下角和左上角的方格220顯示相同的結構色。此外，圖2B還示出了通過改變奈米結構的直徑和間隙而產生的透射模式中的大色域結構色。

應理解的是，圖2A和2B中方格210或220的結構色分別是可能根據透射到的光的波長而也有所變化。這可以通過兩個紅色虛線方格230和240內的方格210的光譜分析來觀察，如圖3所示。

圖3，説明但不限制，示出了圖2A的兩個紅色虛線方格230和240內的方格210的光譜分析。由1-6表示的多個彩線指示圖2A中的方格210。例如，線1表示方格210位於方格230的底側和方格240的左側。相反，線2表示方格210位於方格230的上側和方格240的右側。

光譜中的每條線1-6顯示出峰和谷。光譜中的谷表示高比例的吸收，而峰表示高比例的反射。例如，線1的谷表明較小直徑的奈米結構，由於盤和（較小程度上）後反射器的功率吸收。它們一起作為該波長的抗反射層。相反，大直徑奈米結構（例如線4）的谷是由寬奈米結構之間的干涉引起的。在這種情況下，光功率通過間隙在奈米結構周圍流動。峰對應於散射強度的增加。由於峰增加的散射強度，散射強度對於較大直徑的奈米結構而言是增強的。在水平上，直徑保持不變而間隙尺寸變化的情況下，顏色將從紅色逐漸轉變至綠色。

在一個具體實例中，具有不對稱幾何形狀的奈米結構也可能對結構顏色產生影響。例如，在矩形奈米結構中，邊緣由Lx（X方向上的長度）和Ly（Y方向上的長度）定義，結構色開始隨偏振角而變化。例如，當Lx = 50 nm且Ly = 60 nm時，顏色從0°的淺紅色變為90°的黃色。然而，當Lx = 180 nm且Ly = 60 nm時，顏色從0°處的深紅色變為90°處的淺紅色。

此外，由塊材鑽石產生的本質顏色（如圖1A中所描述）可以與奈米結構組合以進一步貢獻不同的顏色變化，並且可以只是通過添加奈米結構或只是含有雜質，進一步增進色域。例如，初始的棕褐色鑽石將影響由奈米結構產生的反射或透射顏色，使得最終顏色將是兩者的結合。通過無色鑽石上的奈米結構產生的顏色與由比如棕褐色顏色的鑽石上的奈米結構產生的顏色之間的比較顯示，色調及飽和度及亮度的色座標將有所不同。

在另一個具體實例中，如果具有奈米結構的鑽石退火（熱處理）及/或用高能粒子或輻射（電子、質子、中子、γ等）照射，眾所周知它們會改變鑽石的本質顏色。這是因為對內部缺陷及/或雜質的影響。這些過程導致雜質和空缺遷移及/或改變晶格缺陷（間隙和空缺），因此將改變塊材鑽石的顏色。這將修改產生的顏色，這些顏色是來自表面上的奈米結構與來自處理過塊材鑽石的顏色的組合，導致更寬大的色域。

在另一個具體實例中，奈米結構可以在非平面表面上形成。換而言之，奈米結構可以形成在多個平台上，在宏觀/微觀尺度上具有不同的高度。由於這些非平面表面，儘管奈米結構具有相同的尺寸和間隙，但所產生的顏色會有所不同。在非平面表面上形成的奈米結構可以有助於產生3D繞射圖案效果或全像圖案。控制顏色產生的另一個附加因素導致由鑽石上奈米結構形成的3D圖案導致色域增加。

因此，在一個例示性具體實例中，通常知識者能夠通過使用圖2A、2B及3中公開的結構色變化及/或通過使用不對稱幾何形狀、整體顏色和退火過程來形成結構色的調色盤。結構色的調色盤可以由多個像素構成，其中每個像素可以由單個奈米結構或一組奈米結構定義，用於顯示紅色、綠色和藍色（RGB）。使用該像素，可以實現每英寸105點（d.p.i）或更高的高解析度彩色圖像。可以通過控制每個像素的大小來改變該解析度。例如，可以通過減少每個像素的尺寸來增加解析度。在每個像素區域內，奈米結構可以以規則陣列或均勻分佈定位，或者可以隨機定位但保持相鄰奈米結構之間的間距（g）。

此外，使用明視野照明可能可觀察到彩色圖像。可以獲得解析度高達光學繞射極限的明視野彩色圖像。可以在奈米結構的尺寸參數和位置中編碼顏色信息，使得奈米結構的微調可以決定各像素的顏色。可以應用各種圖像的彩色影像以製造具有高解析度、清晰顏色變化和精細色調變化的全色圖像或微圖像。

根據一個本發明的具體實例中，圖4，説明但不限制，所示本發明在寶石上的一種應用。寶石400包含具有多個奈米結構410的多個表面。這些多個奈米結構410在表面上形成的目的是在表面被光照射時產生結構色。奈米結構充當生產顏色的繞射光柵。如上所述，奈米結構內光的繞射導致與結構尺寸和設計成正比的特定波長的共振。這在反射和透射模式下都會發生。鑽石將增強顏色的選擇性並擴大色域、視角獨立性和色彩飽和度。在一個具體實例中，奈米結構410可以類似於圖1A的奈米結構121。

如圖4的具體實例所示，寶石400呈圓形明亮式切割。然而，應理解的是寶石鑽石可以具有各種其他鑽石切割。例如，在替代具體實例中，寶石鑽石可以是公主形切割、墊形切割、祖母綠切割等。通常知識者認識到切割極大地影響了鑽石的光彩。

鑽石切割由對稱排列的切面構成，切面共同改變寶石鑽石的形狀和外觀。例如，寶石400具有58個切面（用於圓形明亮式切割的切面數量）。寶石鑽石的每個切面都是平坦的表面。在一個具體實例中，每個表面可以類似於圖1A的表面110。

仍然參考圖4的具體實例，奈米結構僅形成在位於寶石400上半部的切面。由這些奈米結構而產生的結構色包圍寶石鑽石的整個頂部表面。然而，應理解的是，奈米結構也可以形成在位於寶石鑽石的下半部分或寶石鑽石的選定表面上的切面。

圖5，説明但不限制，示出了形成鑽石顯示結構色的方法及其流程圖。在一個具體實例中，由圖5方法形成的鑽石可以類似於圖1A中的鑽石100或諸如圖4中的寶石400的寶石。

在步驟510，提供鑽石表面。在一個具體實例中，表面可以類似於圖1A的表面110。在提供表面之前，必須準備好其表面。如圖1A所示，表面是H-端的表面。對於來源於CVD的鑽石，可以通過其生長獲得H-端的表面。具體地，作為CVD生長混合物中的主要氣體成分的氫氣（即，大於90％是H2），將導致經氫化鑽石表面終端。

在一個具體實例中，通過將表面暴露於酸性蒸氣可以增加表面的導電性。此外，過氧化氫（氧氣的電化學還原的中間體）也可以增強氫化。

鑽石表面包含小於1 nm的光滑度，並且必須在整個區域上是平坦的。應理解的是，奈米結構內光的繞射尤其取決於表面平滑度和平坦度。

在步驟520，將抗蝕劑塗覆在鑽石的表面上。通常知識者理解可以塗覆在鑽石表面上的抗蝕劑的種類。塗覆抗蝕劑，使得可以在表面上進行如步驟530中所述的曝光。在一個具體實例中，抗蝕劑可以是硬遮罩，例如HSQ、Ni-Ti和Al。硬遮罩用於製造具有高縱橫比的鑽石奈米結構。

在步驟530，通過光刻法暴露鑽石表面上的選定區域。在一個具體實例中，所選區域類似於要形成奈米結構的區域。或者，所選區域可以類似於可執行蝕刻的區域，如步驟540所示。

在替代具體實例中，通過電子束（e-束）光刻以暴露在鑽石表面上選定的區域。電子束光刻是掃描聚焦的電子束以在被稱為抗蝕劑（曝光）的電子敏感膜覆蓋的表面上繪製訂製形狀的作法。電子束改變了抗蝕劑的溶解度，通過將其浸入溶劑中（顯影），能夠選擇性地除去抗蝕劑的曝光或未曝光區域。

在步驟540，蝕刻鑽石的表面以形成多個奈米結構。蝕刻程序可以將圖案轉移到鑽石的表面上。在一個具體實例中，步驟540之後的最終產品可以類似於圖1A中所示的具體實例。

在一個具體實例中，可以利用乾蝕刻技術將圖案轉移到鑽石中。或者，可以利用電感耦合等離子體反應離子蝕刻（ICP / RIE）進行圖案轉移到鑽石中。

應理解的是，典型的RIE程序包含等離子體的形成，離子朝向基板加速，因此可以物理性去除材料。該程序在鑽石上由抗蝕劑/樹脂材料之間產生的圖案可能具有低選擇性，因此對於在鑽石表面取得高解析度，高密度和高縱橫比的奈米圖案並不總是理想的。在一個例示性具體實例中，在10-100 mTorr壓力下的氟化碳（O2-CF4）氣體混合物來準備機械加工後的用於CVD生長的單晶鑽石表面是適合的。

另一方面，ICP蝕刻程序是一種化學蝕刻程序，其中使用等離子體將蝕刻氣體分解成自由基（即中性物質）和離子（即帶電物質）。在與被蝕刻的基板相距甚遠處形成的等離子體之間存在間隙。在等離子體和被蝕刻的鑽石之間的間隙中，去除了等離子體中產生的絕大多數離子。因此，到達鑽石的大多數物種都是中性的。由於基板中處於較高能態的原子，即被延伸的晶格缺陷區域中的原子（例如，損壞區域）更容易被蝕刻，因此這種類型的蝕刻通常優先蝕刻被延伸的晶格缺陷區域，使得表面粗糙。

乾蝕刻技術對於鎢硬遮罩是優選的。如在步驟520中提到的，硬遮罩與乾蝕刻技術一起可以形成高縱橫比奈米結構。

在一個具體實例中，等離子體蝕刻中使用的ICP等離子體氣體混合物由惰性氣體和氯組成，並且所述惰性氣體是氬氣、氦氣、氖氣、氪氣、氙氣或這些氣體中的一種以上的混合物，並且符合以下條件：（a）經等離子體蝕刻表面的粗糙度Rq小於原始表面的粗糙度，經等離子體蝕刻表面的Rq小於1 nm。（B）初始鑽石表面在等離子體蝕刻之前已經過機械加工，並且其中經等離子體蝕刻表面基本上沒有由於機械拋光過程造成的殘餘損壞。

必須改變蝕刻參數以獲得具有垂直度，直線和銳角/彎曲角的奈米結構。蝕刻過程需要最佳蝕刻參數，包括功率（瓦特）、壓力、氣體類型和蝕刻時間，這都取決於奈米圖案的類型。

儘管以特定順序描述了操作方法，應理解的是，可以在所描述的操作之間執行其他操作，可以調整所描述的操作以使得它們在稍微不同的時間發生或者所描述的操作可以在允許以與處理相關聯的各種間隔發生處理操作的系統中分配，只要疊加操作的處理以所欲的方式執行。

前述內容僅僅是對本發明原理的說明，通常知識者可以在不脫離本發明的範圍和精神的情況下進行各種修改。

在一個具體實例中，一種鑽石，包含：至少一個表面；及在鑽石的至少一個表面上形成多個奈米結構，其中多個奈米結構在鑽石的表面上產生一種或多種結構色。

如上述具體實例中所定義之鑽石產生視覺知覺，所述視覺知覺選自以下知覺之群組：圖像知覺、深淺知覺和尺寸知覺。

如上述具體實例中所定義之鑽石，其中多個奈米結構內的奈米結構的形狀相同。

如上述具體實例中所定義之鑽石，其中多個奈米結構內的奈米結構被分類為至少兩種不同的形狀。

如上述具體實例中所定義之鑽石，其中奈米結構的形狀由從垂直於表面的方向所觀察到的橫斷面區域定義，並可以選自由以下所組成之群組：三角形、矩形、六角形、八角形、多角形、圓形和橢圓形。

如上述具體實例中所定義之鑽石，其中多個奈米結構內的奈米結構根據至少兩種不同的高度分類。

如上述具體實例中所定義之鑽石，其中多個奈米結構內的奈米結構以週期性形成排列。

如前述任一具體實例所定義之鑽石，其中至少兩個相鄰的奈米結構分開的距離範圍在40奈米（nm）和200 nm之間。

如前述具體實例中所定義之鑽石，其中週期性形成夠大而足以產生人類眼睛可視覺上辨識的結構色。

根據前述任一具體實例之鑽石，其中每個奈米結構的橫斷面長度在100 nm和500 nm之間，並且從所述鑽石的至少一個表面延伸小於500 nm的距離。

如前述任一具體實例所定義之鑽石，其中每個奈米結構包含頂部表面、底部表面和側壁表面，其中頂部表面具有小於10 nm的表面平滑度，側壁表面具有表面平滑度小於20 nm及底部面具有小於10 nm的平滑度。

如前述任一具體實例所定義之鑽石，其中所述多個奈米結構內的一組奈米結構具有與所述多個奈米結構內的另一組奈米結構不同的一種或多種性質。

如前述任一具體實例所定義之鑽石，還包含：在所述鑽石的表面上形成的另一多個奈米結構，其中另一多個奈米結構在所述鑽石的表面上產生其他結構色，其中所述結構色不同於其他結構色。

如前述任一具體實例所定義之鑽石，還包含在鑽石上的另一表面，該表面位於與鑽石表面不同的平面上，其中另一表面包含多個奈米結構。

如前述任一具體實例所定義之鑽石是開採的、CVD或HPHT鑽石。

如前述任一具體實例中所定義之鑽石，該鑽石本質上是彩色鑽石。

如前述任一具體實例中所定義之鑽石，其中所述至少一個表面通過氣體終端官能化，所述氣體終端選自由以下氣體終端所組成之群組：氫端和氧端。

在另一個具體實例中，另一種鑽石，包含：至少一個表面；在所述鑽石的至少一表面上形成多個奈米結構，其中所述多個奈米結構在所述鑽石的至少一表面上產生視覺知覺。

如上述具體實例中所定義之鑽石，其中視覺知覺選自由以下知覺所組成之群組：顏色知覺、深淺知覺和尺寸知覺。

在替代具體實例中，一種形成顯示結構色的鑽石之方法，其包含：提供鑽石的表面;在所述鑽石的表面上形成多個奈米結構，其中所述多個奈米結構在用可見光照射時產生結構色。

如以上具體實例中所定義之方法，其中形成多個奈米結構還包含：蝕刻鑽石表面以形成奈米結構。

如上述具體實例中所定義之方法，其中蝕刻使用電感耦合等離子體反應離子蝕刻（ICP/RIE）。

如上述具體實例中所定義之方法，其中進行ICP/RIE時的氣體組成選自由以下氣體所組成之群組：惰性氣體和氯，並且其中惰性氣體是氬氣、氦氣、氖氣、氪氣、氙氣或不止一種上述氣體的混合物。

如上述具體實例中所定義之方法，其中形成多個奈米結構還包含：在鑽石的表面上塗覆一層抗蝕劑；使用光刻技術，暴露鑽石表面上選定區域；並使在鑽石表面上的奈米圖案顯影。

如上述具體實例中所定義之方法，其中光刻技術選自由以下所組成之群組：電子束寫入、質子束寫入、聚焦離子束、激光干涉光刻、自組裝光刻、嵌段共聚物光刻（BCP）和陽極氧化鋁（AAO）光刻。

如上述具體實例中所定義之方法，還包含：用氣體終端使表面官能化，所述氣體終端選自由以下氣體終端所組成之群組：氫端和氧端。

如以上具體實例中所定義之方法，還包含：在鑽石的表面上形成另一多個奈米結構，其中當可見光照射時，所述多個奈米結構產生另一種結構色。

通過結合附圖，考慮以下詳細描述，所公開技術的進一步特徵，其性質和各種優點將顯而易見，其中相同的附圖標記在全文表示相同的部件，並且其中： 根據一個具體實例，圖1A和1B分別示出了有多個奈米結構形成在例示性鑽石表面的橫斷面圖和透視圖，其中多個奈米結構在鑽石表面產生結構色。 根據一個具體實例，圖2A和2B分別示出了當更改直徑（D）和間隙（g）時，從反射模式和透射模式產生的例示性顏色效應。 根據一個具體實例，圖3示出了圖2A中兩個紅色指定方格的光譜分析。 根據一個具體實例，圖4示出了例示性寶石產品。 根據一個具體實例，圖5示出了形成產生結構色的鑽石的例示性方法的流程圖。

100‧‧‧鑽石

110‧‧‧塊材

121‧‧‧奈米結構

122‧‧‧表面

b‧‧‧兩個相鄰奈米結構之間的距離

g‧‧‧兩個相鄰奈米結構/間隙之間的距離

h‧‧‧高度

H‧‧‧氫

D‧‧‧頂部表面/直徑的長度

t‧‧‧頂部表面的長度

Claims (27)

1. 一種鑽石其包含： 至少一個表面；及 多個奈米結構形成在所述鑽石的至少一個表面上， 其中所述多個奈米結構產生一種或多種結構色於所述鑽石的表面。
2. 如請求項1所述之鑽石，還產生視覺知覺，所述視覺知覺選自以下知覺之群組：圖像知覺、深淺知覺和尺寸知覺。
3. 如前述請求項中之任一者所述之鑽石，其中在所述多個奈米結構內的奈米結構的形狀相同。
4. 如前述請求項中之任一者所述之鑽石，其中在所述多個奈米結構內的奈米結構被分類為至少兩種不同的形狀。
5. 如前述請求項中之任一者所述之鑽石，其中所述奈米結構的形狀由從垂直於所述表面的方向所觀察到的橫斷面區域定義，並可以選自由以下所組成之群組：三角形、矩形、六角形、八角形、多角形、圓形和橢圓形。
6. 如前述請求項中之任一者所述之鑽石，其中在所述多個奈米結構內的奈米結構根據至少有兩種不同的高度被分類。
7. 如前述請求項中之任一者所述之鑽石，其中在所述多個奈米結構內的奈米結構以週期性形成排列。
8. 如前述請求項中之任一者所述之鑽石，其中至少兩個相鄰的所述奈米結構分開的距離範圍在40奈米（nm）和200 nm之間。
9. 如前述請求項中之任一者所述之鑽石，其中週期性形成夠大而足以產生人類眼睛可視覺上辨識的結構色。
10. 如前述請求項中之任一者所述之鑽石，其中每個奈米結構的橫斷面長度在100 nm和500 nm之間，並且從所述鑽石的至少一個表面延伸小於500 nm的距離。
11. 如前述請求項中之任一者所述之鑽石，其中每個奈米結構包含頂部表面、底部表面和側壁表面，其中所述頂部表面具有小於10 nm的表面平滑度，所述側壁表面具有表面平滑度小於20 nm及所述底部表面具有小於10 nm的平滑度。
12. 如前述請求項中之任一者所述之鑽石，其中所述多個奈米結構內的一組奈米結構具有與所述多個奈米結構內的另一組奈米結構不同的一種或多種性質。
13. 如前述請求項中之任一者所述之鑽石，還包含：在所述鑽石的表面上形成的另一多個奈米結構，其中另一多個奈米結構在所述鑽石的表面上產生其他結構色，其中所述結構色不同於其他結構色。
14. 如前述請求項中之任一者所述之鑽石，還包含在所述鑽石上的另一表面，所述另一表面位於與所述鑽石表面不同的平面上，其中所述另一表面包含多個奈米結構。
15. 如前述請求項中之任一者所述之鑽石，其中所述鑽石是開採的、CVD或HPHT鑽石。
16. 如前述請求項中之任一者所述之鑽石，其中所述鑽石本質上是彩色鑽石。
17. 如前述請求項中之任一者所述之鑽石，其中所述至少一個表面通過氣體終端官能化，所述氣體終端選自由以下氣體終端所組成之群組：氫端和氧端。
18. 一種鑽石其包含： 至少一個表面；及 在所述鑽石的至少一表面上形成的多個奈米結構， 其中所述多個奈米結構在鑽石的至少一個表面上產生視覺知覺。
19. 如請求項18之鑽石，其中所述視覺知覺選自由以下知覺所組成之群組：顏色知覺、深淺知覺和尺寸知覺。
20. 一種形成顯示結構色的鑽石之方法，其包含： 提供鑽石表面；及 在所述鑽石表面上形成多個奈米結構， 其中所述多個奈米結構在用可見光照射時產生結構色。
21. 如請求項20之方法，其中形成所述多個奈米結構還包含：蝕刻所述鑽石的表面以形成所述奈米結構。
22. 如請求項20或21之方法，其中所述蝕刻使用電感耦合等離子體反應離子蝕刻（ICP/RIE）。
23. 如請求項20至22之方法，其中進行ICP/RIE時的氣體組成選自由以下氣體所組成之群組：惰性氣體和氯，並且其中惰性氣體是氬氣、氦氣、氖氣、氪氣、氙氣，或不止一種上述氣體的混合物。
24. 如請求項20至23之方法，其中形成所述多個奈米結構還包含：在所述鑽石的表面上塗覆抗蝕劑層；使用光刻技術，暴露所述鑽石表面上的選定區域；並使在所述鑽石表面上的奈米圖案顯影。
25. 如請求項20至24之方法，其中所述光刻技術選自由以下所組成之群組：電子束寫入、質子束寫入、聚焦離子束、激光干涉光刻、自組裝光刻、嵌段共聚物光刻（BCP）和陽極氧化鋁（AAO）光刻。
26. 如請求項20至25之方法，還包含：用氣體終端使表面官能化，所述氣體終端選自由以下氣體終端所組成之群組：氫端和氧端。
27. 如請求項20至26之方法，還包含：在所述鑽石的表面上形成另一多個奈米結構，其中當可見光照射時，所述多個奈米結構產生另一種結構色。

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