CN105259600A - 一种纳米超材料全色域调色板 - Google Patents

一种纳米超材料全色域调色板 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米超材料调色板及其制备方法。采用电子束光刻和反应离子刻蚀工艺，利用横向钻蚀效应在衬底上获得悬浮于介质层之上的亚波长尺度周期性结构阵列，在垂直于衬底方向沉积金属薄膜，形成金属纳米结构阵列-金属互补纳米结构阵列薄膜耦合结构。该亚波长尺度超材料在可见光光谱中表现出混合表面等离子共振模式，产生特殊的光学响应：多共振峰，FANO共振，角度依赖的光谱可调性，数十万倍的场增强，因此能够在结构单元获得连续可调的色彩。这种纳米超材料调色板能够产生CIE色品图中的全色域色彩，而且色彩像素缩小到一百至数百纳米。这项技术将在商品生产、高清显示、艺术创作、方位传感、光子密码及信息存储等领域有重要应用前景。

Description

一种纳米超材料全色域调色板
技术领域
本发明涉及纳米加工制造技术、表面等离激元光子学、纳米光子学，特别涉及一种基于表面等离子体耦合效应的纳米超材料调色板，其技术特点：(1)纳米天线结构表面等离子体耦合，耦合后结构的反射或消光光谱在可见光区域出现多共振峰；(2)超材料结构形貌和周期可控制产生不同的共振峰；(3)纳米天线的共振耦合实现在一个像素单元调和多种光谱色，类似于艺术家调色板的功能；(4)超材料调色板显色对入射角度和强度敏感，可据此激发产生丰富的色彩，包含CIE色品图中的光谱色、非光谱色以及连续可调的中间色。
背景技术
我们生活在一个色彩绚丽的世界里。色彩作为艺术设计领域一个重要因素，是人类获取信息表达情感的最常用、最直接的媒介。在我们的日常生活、商品生产、艺术创作等各种领域中，人们总是利用色彩创造出清晰、和谐、具有审美感受的画面效果。随着涂料、印染、塑料制品、陶瓷和图像显示等行业的快速发展，人们对于色彩的需求不断扩大，不断去探求更多的色彩来装扮和呈现这个多姿多彩的世界。传统色彩产生基于颜料但仍存在几个明显的问题：(1)调色获得的颜色纯度不够高；(2)颜料物质具有化学不稳定性，在长时间强光照射下易造成褪色、脱色，影响色彩的牢度；(3)颜料色彩对环境湿度温度敏感，易造成色彩色调的变化，影响色彩的耐久度；(4)颜料多含有中含有铅、砷、铬、锑、镉、汞等物质，在强光照射下颜料挥发或裂解产生有毒物质，对人体和环境带来巨大危害。因此人们强烈期望保真度更高、连续可调性更好，也更环保的色彩显示技术。纳米制造技术与等离子光子学的结合为这一挑战带来了理想解决方案。
纳米光子学是一个材料科学、光学和纳米技术等多学科交叉的前沿研究领域。金属纳米结构通常作为纳米光学基础研究和器件实现的功能单元。金属在可见光和红外波段具有实部为负的介电系数，当光波照射到金属和电介质的交界面时会引发一种独特的表面波传播现象，从而能够有效激发表面等离激元。利用表面等离子体的高度局域性和亚波长特性，通过优化设计金属纳米结构，可以实现可见光波段纳米尺度光场的调节与操纵。光通过金属纳米结构，一部分被介质吸收(称共振吸收)，通过反射光呈现色彩，由于金属纳米结构具有克服光学衍射极限的优异性能，因此能实现传统成色技术如颜料成色、LED显色难以实现的着色显色调色能力。近期的很多工作都致力于基于该技术来实现滤色器和色彩显示技术。科学家利用聚焦离子束(FocusedlonBeam，FIB)或电子束光刻(ElectronBeamLithography，EBL)技术制造出周期的纳米孔、纳米柱、纳米光栅等金属-介质-金属结构，利用结构特异的表面等离子体共振现象，如金属光栅的反常衍射规律、亚波长金属孔径阵列的超常透射现象、周期纳米孔缝激发表面等离激元(SurfacePlasmonPolariton，SPP)、金属亚波长孔径的局域化表面等离子共振(LocalizedSurfacePlasmonResonance，LSPR)与SPP混合等离子体共振效应，以及Fabry-Pérot纳米腔模式，实现丰富多用途的等离子结构色彩[1-11]。但现在的等离子色彩仍存在一定的局限性：(1)色彩的不可调性：只能实现单个像素实现单一色彩；(2)色彩种类有限性：由组合像素实现混色，但因加工技术手段的限制，结构尺寸依赖的结构色彩种类有限；(3)像素尺寸难缩小：基于金属-介质-金属结构的等离子色彩多依赖于结构的周期性排布，结构的重复性排布限制了像素尺寸，使之难以进一步缩小。本发明利用亚波长尺度的金属-介质-金属三维纳米结构的表面等离子体耦合效应所激发的可见光范围混合共振现象实现色彩混合获得连续可调的光谱色、互补色及精确的中间色。与之前所研究技术方法不同，我们采用横向钻蚀现象制作出悬浮的金属纳米结构-介质-互补金属纳米孔结构，这种超材料具有表面等离子共振混合模式，包括可见光区域多共振激发、表面等离子体共振角度可调性、Fabry-Pérot纳米腔模式和FANO共振等特点，因此具有混色和角度调色的重要功能，从而实现CIE色品图的全色域成色并可显示非彩色。而且，本发明的结构能够通过单一结构的参数变化调节局部色彩，因此像素可进一步缩小。
发明内容
针对以上分析，本发明提供了一种可获得全色域、可精确调节色彩输出的纳米超材料调色板及其制作方法。本发明创新性采用微纳加工工艺中的深反应等离子体刻蚀的BOSCH效应，获得金属-介质-金属三维纳米天线阵列。在研究中利用三维纳米天线阵列实现电磁诱导多共振峰效应，通过调控结构参数控制等离子体激发共振波长和峰值，获得可见光范围内全真彩色纳米调色板。响应波长范围380-780nm，能够通过改变入射光角度和强度获得丰富的多种色彩并可调节亮度和饱和度，其色彩调节范围覆盖CIE色品图的全色域，包括光谱色、非光谱色以及连续微调的复合色，并获得各种非彩色。该技术能实现让人们随着不同视觉角度而变换色彩、效果立体、色彩绚丽且环保无污染的光子调色板。
本发明的一种纳米超材料全色域调色板包含金属-介质-金属三维纳米天线阵列的工艺方法。本发明包含四项技术特征：(1)通过研究双层超材料结构，探索该亚波长尺度在可见光范围的光谱特征及电磁场分布，发现之间具有亚波长介质层的上层金属纳米结构阵列-下层互补纳米结构阵列金属薄膜，在可见光的照射下，会激发表面等离激元耦合共振模式，提高许多非线性光学过程的效率，获得多共振峰激发，实现调色功能；(2)通过结构的非对称设计获得角度可调的共振反射光谱特征，能够在单一像素单元调节入射角获得多种色彩；(3)具有亚波长介质层表面等离激元体系诱导产生Fano共振，能够降低损耗，激发高的局域电场增强和窄的带宽，实现调色板的颜色微调和精确颜色输出；(4)阵列中单一功能单元“上层金属纳米结构-介质层-下层互补金属结构”(对于互补结构阵列才用“金属薄膜”)，见附图1，可以改变色彩显示，它可作为显示阵列的一个像素点，因此该调色板的色彩显示清晰度可突破衍射极限，显示分辨率(屏幕分辨率)高达数十万dpi(每英寸点数，dotsperinch)。而传统显色设备分辨率在数千dpi，这意味着该发明的调色板可实现更细腻的色彩显示效果。
在上述的技术方案中，制备该纳米晶体调色板的关键结构“金属纳米结构阵列-介质-互补纳米结构阵列金属薄膜”可以包括以下具体步骤：
(1)图形转移：设计的版图经电子束光刻显影后，通过刻蚀将图形转移到基底，基底材料可选用如单晶硅、多晶硅、无定形氮化硅、无定形氧化硅和透明有机材料如：聚二甲基硅氧烷、聚对二甲苯、聚乙烯等甚至一些金属材料；
(2)介质间隔层：利用各向同性刻蚀或深反应离子刻蚀技术的横向钻蚀，获得小于图案形貌的亚波长尺度的介质间隔层；
(3)金属-介质-金属结构：沉积金属获得悬浮于介质间隔层之上的上层金属纳米结构阵列及位于下层的互补纳米结构阵列金属薄膜。
本发明的优点在于：本发明创新的设计金属-介质-金属三维双层超材料结构，实现局域表面等离激元(LocalizedSurfacePlasmon，LSP)和表面等离极化激元(SurfacePlasnonPolariton，SPP)共振耦合。双层超材料是有介质间隔层支持的金属纳米结构阵列和互补纳米结构阵列金属薄膜，其中结构的间隔为亚波长尺寸。该结构在可见光范围实现入射角度依赖的多共振峰，能够实现Fano共振和远场增强。此表面等离晶体的特殊光学效应决定了调色板具有全色域、精确可调，和超衍射极限像素点的优异特点。
附图说明
图1是纳米晶体调色板“金属纳米结构阵列-介质-互补纳米结构阵列金属薄膜”功能结构示意图。
图2是本发明衬底上沉积的“掩模层”(如氧化硅、氮化硅、金属层等)并电子束光刻显影后预设图案的抗蚀剂纳米结构示意图；其中1为电子束抗蚀剂，2为掩模层，3为衬底。
图3是本发明的“沉积掩模层”纳米结构示意图。
图4是本发明以沉积层为掩模刻蚀衬底并经过绝缘化后在衬底上形成“纳米结构层-绝缘介质层”周期性阵列的示意图；其中4为绝缘介质层。
图5是本发明沉积金属形成“金属纳米结构阵列-间隔层-互补纳米结构阵列金属薄膜”的示意图；其中，5为金属材料(如金、银、铂、铝等)。
图6为实施图1-图5步骤所制备的“金属纳米结构阵列-介质-互补纳米结构阵列金属薄膜”的扫描电子显微镜照片。
图7为所制备的纳米超材料调色板随光线入射角度变化的调和色彩
图面说明
1、电子束抗蚀剂2、掩模层3、衬底
4、绝缘介质层5、沉积的金属材料
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进行详细的描述。
本发明利用传统微电子工艺的深反应离子刻蚀Scallop效应(通过刻蚀与钝化交替进行形成扇贝形貌侧壁)或各向同性钻蚀获得“金属纳米结构阵列-介质-互补纳米结构阵列金属薄膜”双层超材料结构。
实施例一：
(1)热氧化钝化层：在硅(Si)衬底1的表面利用热氧化生长厚SiO2作为钝化层。
(2)光刻图形化：在Si/SiO2上以5000转每秒的转速旋涂厚度为100nm的AR-N7520.18负性光刻胶，在85℃烘箱中前烘5分钟，采用NanoBeam电子束刻蚀系统以80kV加速电压对光刻胶曝光，在四甲基氢氧化铵(TMAH)显影液中显影1分钟之后用去离子水冲洗，获得图像化的纳米结构阵列；
(3)介质层形成：以氧化硅为掩模，用反应离子刻蚀机对硅衬底进行刻蚀，刻蚀机功率400W，SF6和C4F8流速分别为40和90sccm/min，刻蚀时间50秒，由于刻蚀/钝化交替BOSCH工艺的扇贝效应在衬底上形成高度为100nm的硅纳柱，对所获得衬底结构进行热氧化，在硅衬底上获得二氧化硅纳米柱介质间隔层及其支撑的悬浮纳米结构阵列；
(4)金属-介质-金属三维结构：在所得悬浮纳米结构阵列上垂直溅射30nm的金纳米层，同时在硅衬底表面形成互补纳米结构阵列金属薄膜，获得金属纳米结构阵列-介质-互补纳米结构阵列金属薄膜天线结构。该结构作为调色板的超材料功能表面。其形貌特征由图1给出。
实施例二：
(1)化学气相沉积掩模层：在硅(Si)衬底表面利用化学气相沉积(CVD)生长厚SiO2作为掩模层。
(2)光刻图形化：在Si/SiO2上以5000转每秒的转速旋涂厚度为100nm的AR-N7520.18负性光刻胶，在85℃烘箱中前烘5分钟，采用NanoBeam电子束刻蚀系统以80kV加速电压对光刻胶曝光，在四甲基氢氧化铵(TMAH)显影液中显影1分钟之后用去离子水冲洗，获得图像化的纳米结构阵列；
(3)介质层形成：以光刻胶和氧化硅为掩模，用反应离子刻蚀机对硅衬底进行各向同性刻蚀，刻蚀机功率400W，SF6和C4F8流速分别为40和90sccm/min，刻蚀时间50秒，在衬底上形成高度为200nm的硅纳米柱及其支撑的悬浮硅纳米结构阵列；
(4)结构绝缘化：对3中所述结构保形淀积100nm厚的Parylene，一方面形成间隔介质层，另一方面对悬浮纳米结构进行加固。
(5)金属-介质-金属三维结构：在所得悬浮纳米结构阵列上垂直溅射30nm的金纳米层，同时在硅衬底表面形成互补纳米结构阵列金属薄膜，获得金属纳米结构阵列-介质-互补纳米结构阵列金属薄膜天线结构。该结构作为调色板的超材料功能表面。
实施例三：
(1)光刻图形化：在玻璃衬底的表面以5000转每秒的转速旋涂厚度为100nm的AR-N7520.18负性光刻胶，在85℃烘箱中前烘5分钟，采用NanoBeam电子束刻蚀系统以80kV加速电压对光刻胶曝光，在四甲基氢氧化铵(TMAH)显影液中显影1分钟之后用去离子水冲洗，获得图像化的纳米结构阵列；
(2)介质层形成：以光刻胶为掩模，用反应离子刻蚀机对玻璃衬底进行各向同性刻蚀，刻蚀机功率400W，SF6和C4F8流速分别为40和90sccm/min，刻蚀时间50秒，形成高度为100nm的纳米柱及其支撑的悬浮硅纳米结构阵列；
(3)金属-介质-金属三维结构：在所得悬浮纳米结构阵列上垂直溅射30nm的金纳米层，同时在玻璃衬底表面形成互补互补纳米结构阵列金属薄膜，获得金属纳米结构阵列-介质-互补纳米结构阵列金属薄膜天线结构。该结构作为调色板的超材料功能表面。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。
本发明的纳米光学结构加工工艺是基于现有微电子制造技术，简单方便，可有足够的控制精度并能加工得到多种结构形式，便于纳米超材料显色特性的基础研究、器件实现和工程应用。
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Claims (8)

1.一种纳米超材料调色板，其工作原理：基于金属-介质-金属三维纳米天线阵列在可见光范围的光学特性，利用LSP-SPP耦合效应来提高双层超材料的光学性能，表现出FANO共振和多重共振峰、入射角度依赖的共振特性，这些独特而有趣的光学特点决定了结构具有优异的调色功能，实现CIE色品图中的全色域色彩，即光谱色、非光谱色及连续复合色。
2.制备表面等离子体激元耦合结构纳米阵列的方法，包括如下步骤：采用电子束直写技术制作纳米级精度光刻胶图案并以此为掩模刻蚀衬底上的沉积层，形成“衬底刻蚀掩模”，随后利用刻蚀过程的横向钻蚀获得衬底上由介质层结构支撑的悬浮结构，最后垂直沉积贵金属层，获得上层金属纳米结构阵列和下层互补纳米结构阵列金属薄膜，此亚波长周期性“金属纳米结构阵列层-间隔层-互补纳米结构阵列金属薄膜”等离耦合体系具有入射角依赖光学特性的调控作用，便于人们对电磁波进行操控。
3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述的“等离子体共振耦合”功能单元/结构为亚波长周期性排布的“金属纳米结构-间隔层-互补金属纳米结构”三维结构。
4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述结构具有亚波长特征尺寸，因此结构的等离子特性表现出在可见光范围的可调性。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于制备过程中，三维阵列结构的纳米结构层图案、阵列周期可根据掩模版设计控制，间隔层几何参数可根据刻蚀工艺参数(刻蚀/钝化周期、刻蚀时间、平板电级功率、钝化气体流量)而调控，形成数十到数百纳米的高度和数十纳米的宽度，不同结构参数使结构表现出更灵活的等离子体共振可调性。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：刻蚀后衬底上形成介质间隔纳米结构及其支撑的上层预设图案纳米结构，垂直于衬底方向沉积金属在衬底表面形成与预设图案互补的金属纳米结构，该复合结构体系具有激发多个等离子体模式的能力。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述制备方法是结合电子束曝光技术与刻蚀技术的组合工艺，加工过程利用电子束直写制作纳米级精细图形和刻蚀过程横向钻蚀的特点，使刻蚀区侧壁侧向刻蚀形成支撑上层悬浮结构的介质间隔层结构。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述衬底材料可为单晶硅、多晶硅、无定形氮化硅、无定形氧化硅和透明有机材料如：聚二甲基硅氧烷、聚对二甲苯、聚乙烯等甚至一些金属材料；所述沉积层材料为无定形氮化硅或无定形氧化硅；介质层绝缘化方法包括：热氧化或保形淀积有机绝缘材料，如聚对二甲苯等；所述金属层材料选自金、银、铂、铝中的至少一种；制备所述纳米结构金属层的方法为溅射法或蒸发法。
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