CN106480484B - 一种反射型图像器件的制备及应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反射型图像器件的制备及应用方法，本发明反射型图像器件的是由金属颗粒半连续膜、多孔氧化铝膜以及金属高反层结构组成，该结构具有制备简单、成本低、制备环境友好、样品面积大等优势，能够在下一代的成像器件的开发制备中发挥重要应用；所得成像最小像元能够得到微米量级，远小于目前大多自发光屏幕的最小像元；图像还具有可变色性，能够用于信息加密和商标装饰等功能。
Description
技术领域
本发明涉及图像器件技术领域，更具体地说是一种反射型图像器件的制备及应用方法。
背景技术
反射型图像器件被认为是下一代成像元器件，目前主流的反射型图像器件起源于2012年，新加坡的Joel K.W.Yang等人利用不同形状的金属纳米盘等离激元共振对于不同波长光的散射能力不同，制备了分辨率达到衍射极限的反射型图像器件。该反射型图像器件得到的反射型图像具备超小像元、超高的图像耐久度以及超大的信息容量，得到人们广泛的关注，大大推动了反射型图像器件的制造工艺发展以及应用领域延伸。然而，该方法的器件制备多依赖于电子束曝光这一大型复杂的物理设备，因此存在制备成本高、操作工序流程复杂、以及成像面积小的问题，严重制约了反射型图像器件的推广应用。
发明内容
为了克服以上现有技术的不足，本发明提供一种反射型图像器件的制备及应用方法，通过该制备方法能够简便、低成本、高效率并且可以大面积制备具有高密度及高图像耐久度特性的反射型图像器件。
为解决现有技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种反射型图像器件的制备方法，包括以下步骤：
（1）铝片清洗：采用丙酮将厚度大于1mm的铝片浸泡 5-15min，然后用浓度为0.5-1.5mol/L的氢氧化钠溶液浸泡铝片5-15min，最后用酒精浸泡铝片5-15min；
（2）铝片抛光：将酒精浸泡之后的铝片放入高氯酸和酒精体积比为15-35%的溶液，利用10-30V的电压进行电化学抛光2-6min，抛光温度为0-4℃；
（3）铝片第一次氧化：将抛光后的铝片放入电解液为0.1-0.3mol/L草酸溶液的电解池，铝片做阳极，铂片做阴极，生长电压为30-50V，氧化时间为2-8小时，氧化温度为4-8℃；
（4）铝片刻蚀：将第一次氧化之后的铝片放入铬酸、磷酸和蒸馏水的混合溶液，混合溶液的温度为45-75℃温度，保持60-90min；
（5）铝片第二次氧化：将刻蚀之后铝片放入电解液为0.1-0.3mol/L草酸溶液的电解池，铝片做阳极，铂片做阴极，生长电压为30-50V，氧化时间为80-600s，氧化温度为4-8℃；
（6）光刻曝光图案：铝片经过第二次氧化之后形成多孔氧化铝模板，预先用光刻胶均匀甩胶到氧化铝模板表面，然后通过光刻机曝光出所需图案；
（7）多孔氧化铝模板孔洞占空比调节：将光刻曝光后的多孔氧化铝模板放入0.1-0.3mol/L草酸溶液，保持温度40-60℃，浸泡0-360min，不包含0，去除光刻胶并改变多孔氧化铝模板的孔洞占空比；
（8）溅射薄膜：利用溅射仪并选用金属靶材在多孔氧化铝模板表面溅射薄膜从而得到反射型图像器件，溅射电流为3-100mA，溅射时间为50-300s。
进一步的，步骤（4）中混合溶液的铬酸质量分数为1-3%，磷酸质量分数为4-8%。
进一步的，步骤（6）中多孔氧化铝模板厚度为200-1000nm。
进一步的，步骤（8）中溅射仪采用的靶材为金、银或铝靶。
进一步的，步骤（8）中溅射的薄膜由金属颗粒半连续膜、多孔氧化铝膜及金属高反层组成，同时由于反射型图像器件有、无光刻胶覆盖区域颜色差异，从而形成图案输出。
一种反射型图像器件的应用方法，采用所述反射型图像器件的制备方法得到的反射型图像器件，并在反射型图像器件的多孔氧化铝模板中添加介质材料PMMA或PDMS。在这里，添加PMMA或PDMS等透明的介质材料能够使得反射型图像器件的图案信息隐形，从而达到信息加密的用途。
与现有技术相比，本发明具有的优点和有益效果如下：
1.本发明反射型图像器件的金属颗粒半连续膜、多孔氧化铝膜以及金属高反层结构具有制备简单、成本低、制备环境友好、样品面积大等优势，能够在下一代的成像器件的开发制备中发挥重要应用；
2.本发明反射型图像器件所得成像最小像元能够得到微米量级，远小于目前大多自发光屏幕的最小像元；
3.本发明反射型图像器件的图像还具有可变色性，能够用于信息加密和商标装饰等功能。
附图说明
附图1为本发明制备方法的流程图。
附图2为本发明实施例一反射型图像器件薄膜的结构图。
附图3为本发明实施例一反射型图像器件的表面形貌图。
附图4为本发明实施例三反射型图像器件图案显示图。
附图5为附图4的局部放大图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的解释说明。附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
如图1所示，一种反射型图像器件的制备方法，包括以下步骤：
（1）铝片清洗：采用丙酮将厚度大于1mm的铝片浸泡 5-15min，然后用浓度为0.5-1.5mol/L的氢氧化钠溶液浸泡铝片5-15min，最后用酒精浸泡铝片5-15min；
（2）铝片抛光：将酒精浸泡之后的铝片放入高氯酸和酒精体积比为15-35%的溶液，利用10-30V的电压进行电化学抛光2-6min，抛光温度为0-4℃；
（3）铝片第一次氧化：将抛光后的铝片放入电解液为0.1-0.3mol/L草酸溶液的电解池，铝片做阳极，铂片做阴极，生长电压为30-50V，氧化时间为2-8小时，氧化温度为4-8℃；
（4）铝片刻蚀：将第一次氧化之后的铝片放入铬酸、磷酸和蒸馏水的混合溶液，混合溶液的温度为45-75℃温度，保持60-90min；
（5）铝片第二次氧化：将刻蚀之后铝片放入电解液为0.1-0.3mol/L草酸溶液的电解池，铝片做阳极，铂片做阴极，生长电压为30-50V，氧化时间为80-600s，氧化温度为4-8℃；
（6）光刻曝光图案：铝片经过第二次氧化之后形成多孔氧化铝模板，预先用光刻胶均匀甩胶到氧化铝模板表面，然后通过光刻机曝光出所需图案；
（7）多孔氧化铝模板孔洞占空比调节：将光刻曝光后的多孔氧化铝模板放入0.1-0.3mol/L草酸溶液，保持温度40-60℃，浸泡0-360min，不包含0，去除光刻胶并改变多孔氧化铝模板的孔洞占空比；
（8）溅射薄膜：利用溅射仪并选用金属靶材在多孔氧化铝模板表面溅射薄膜从而得到反射型图像器件，溅射电流为3-100mA，溅射时间为50-300s。
步骤（4）中混合溶液的铬酸质量分数为1-3%，磷酸质量分数为4-8%。
步骤（6）中多孔氧化铝模板厚度为200-1000nm。
步骤（8）中溅射仪采用的靶材为金、银或铝靶。
步骤（8）中溅射的薄膜由金属颗粒半连续膜、多孔氧化铝膜及金属高反层组成，同时由于反射型图像器件有、无光刻胶覆盖区域颜色差异，从而形成图案输出。
一种反射型图像器件的应用方法，采用所述反射型图像器件的制备方法得到的反射型图像器件，并在反射型图像器件的多孔氧化铝模板中添加介质材料PMMA或PDMS。在这里，添加PMMA或PDMS等介质材料能够使得反射型图像器件的图案信息隐形，从而达到信息加密的用途。
本实施例中，将厚度为0.2cm的铝片先后放入丙酮、1.5mol/L的氢氧化钠溶液以及酒精溶液各浸泡清洗15min；将酒精浸泡之后的铝片放入高氯酸和酒精体积比为0.3溶液，利用20V的电压，电化学抛光6min，铝片接阳极，铂片做阴极，抛光温度为0℃。
抛光之后的铝片进行第一次阳极氧化，电解液采用0.3 mol/L的草酸溶液，生长电压为45V，铝片连接阳极，铂片做阴极，氧化时间4-8小时，反应温度为4℃。第一次氧化之后铝片放入铬酸、磷酸和蒸馏水的混合溶液（铬酸质量分数为1.8%，磷酸质量分数为6%），保持在60℃温度60min，除去第一次氧化生产的氧化铝。然后再用第一次阳极氧化的条件，反应180s，生成规则的氧化铝模板。
如图2和图3所示，将反应后的氧化铝模板放入溅射仪，选用Ag作为溅射靶材，采用3mA的溅射电流，溅射250s，从而便可形成为金属颗粒半连续膜，多孔氧化铝膜以及金属高反层组成的三明治结构形成。
调节氧化铝模板的孔洞占空比，即在溅射金属之前将氧化铝模板浸泡入0.3mol/L的草酸溶液，保持温度45℃，浸泡时间为0-140min，我们发现该结构能够生动将整个可见光区域全彩呈现，而将所呈现颜色导入CIE 1931颜色空间，发现代表样品呈现颜色波长的点能够环绕中心白点围成一圈，证明我们的结构能够完成全彩输出。
实施例2
本实施例中，将厚度为0.2cm的铝箔先后放入丙酮、1.5mol/L的氢氧化钠溶液以及酒精溶液各浸泡清洗15min；将酒精浸泡之后的铝片放入高氯酸和酒精体积比为0.3溶液，利用20V的电压，电化学抛光6min，铝片接阳极，铂片做阴极，抛光温度为0℃。
抛光之后的铝片进行第一次阳极氧化，电解液采用0.3 mol/L的草酸溶液，生长电压为45V，铝片连接阳极，铂片做阴极，氧化时间4-8小时，反应温度为4℃。第一次氧化之后铝片放入铬酸、磷酸和蒸馏水的混合溶液，其中铬酸质量分数为1.8%，磷酸质量分数为6%，保持在60℃温度60min，除去第一次氧化生产的氧化铝。然后再用第一次阳极氧化的条件，反应180s，生成规则的氧化铝模板。
将氧化铝模板表面均匀的甩上S1805光刻胶，甩胶速度为3000r.p.m.。将甩胶之后的氧化铝模板放入紫外激光直写系统曝光，再用2.38% TMAH溶液显影，形成所需的图案。曝光之后的样品浸泡入0.3 mol/L的草酸溶液，保持温度45℃，浸泡40min。取出氧化铝模板，去除光刻胶，第二次放入0.3 mol/L的草酸溶液，保持温度45℃，浸泡40min。通过两次浸泡能够在有无光刻胶覆盖过的区域形成氧化铝模板不同的占空比，从而为溅射金属之后，形成不同颜色奠定基础。
将完成两次扩孔处理的氧化铝模板放入溅射仪，选用铝为溅射靶材，溅射电流为100mA，溅射时间为100s，形成鲜艳的图像输入。由于氧化铝模板是多孔结构，因此即使在图像制备完成之后，依然可以进一步调控颜色输入。向氧化铝模板表面加酒精，当酒精完全进入氧化铝模板孔洞之后，图案颜色发生明显的变化，从而证明了我们样品的可变色性。
实施例3
本实施例中，将厚度为0.2cm的铝箔先后放入丙酮、1.5mol/L的氢氧化钠溶液以及酒精溶液浸泡清洗15min；将酒精浸泡之后的铝片放入高氯酸和酒精体积比为0.3溶液，利用20V的电压，电化学抛光6min，铝片接阳极，铂片做阴极，抛光温度为0℃。
抛光之后的铝片进行第一次阳极氧化，电解液采用0.3 mol/L的草酸溶液，生长电压为45V，铝片连接阳极，铂片做阴极，氧化时间4-8小时，反应温度为4℃。第一次氧化之后铝片放入铬酸、磷酸和蒸馏水的混合溶液，其中铬酸质量分数为1.8%，磷酸质量分数为6%，保持在60℃温度60min，除去第一次氧化生产的氧化铝。然后再用第一次阳极氧化的条件，反应190s，生成规则的氧化铝模板。
将氧化铝模板表面均匀的甩上S1805光刻胶，甩胶速度为3000r.p.m.。将甩胶之后的氧化铝模板放入紫外激光直写系统曝光，再用2.38% TMAH溶液显影，形成所需的图案。曝光之后的样品浸泡入0.3 mol/L的草酸溶液，保持温度45℃，浸泡2.5min。取出氧化铝模板，去除光刻胶，第二次放入0.3 mol/L的草酸溶液，保持温度45℃，浸泡40min。
将完成两次扩孔处理的氧化铝模板放入溅射仪，选用铝靶为溅射靶材，溅射电流为100mA，溅射时间为100s，形成图像。用4000r.p.m.转速在多孔氧化铝模板旋涂上PMMA，图案随即消失，除去PMMA，图形又可重新出现。如图4和图5所示，本实例中，图像最细图线大致为3-4微米，因此可以说明我们图像最小象元在4微米以下，这比目前普通CCD几十微米的最小象元要小很多，因此也证明了我们图像具有高密度成像特点。
以上所述，仅是本发明的几个实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种反射型图像器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）铝片清洗：采用丙酮将厚度大于1mm的铝片浸泡 5-15min，然后用浓度为0.5-1.5mol/L的氢氧化钠溶液浸泡铝片5-15min，最后用酒精浸泡铝片5-15min；
（2）铝片抛光：将酒精浸泡之后的铝片放入高氯酸和酒精体积比为15-35%的溶液，利用10-30V的电压进行电化学抛光2-6min，抛光温度为0-4℃；
（3）铝片第一次氧化：将抛光后的铝片放入电解液为0.1-0.3mol/L草酸溶液的电解池，铝片做阳极，铂片做阴极，生长电压为30-50V，氧化时间为2-8小时，氧化温度为4-8℃；
（4）铝片刻蚀：将第一次氧化之后的铝片放入铬酸、磷酸和蒸馏水的混合溶液，混合溶液的温度为45-75℃温度，保持60-90min；
（5）铝片第二次氧化：将刻蚀之后铝片放入电解液为0.1-0.3mol/L草酸溶液的电解池，铝片做阳极，铂片做阴极，生长电压为30-50V，氧化时间为80-600s，氧化温度为4-8℃；
（6）光刻曝光图案：铝片经过第二次氧化之后形成多孔氧化铝模板，预先用光刻胶均匀甩胶到氧化铝模板表面，然后通过光刻机曝光出所需图案；
（7）多孔氧化铝模板孔洞占空比调节：将光刻曝光后的多孔氧化铝模板放入0.1-0.3mol/L草酸溶液，保持温度40-60℃，浸泡0-360min，不包含0，去除光刻胶并改变多孔氧化铝模板的孔洞占空比；
（8）溅射薄膜：利用溅射仪并选用金属靶材在多孔氧化铝模板表面溅射薄膜从而得到反射型图像器件，溅射电流为3-100mA，溅射时间为50-300s。
2.根据权利要求1所述的反射型图像器件的制备方法，其特征在于，步骤（4）中混合溶液的铬酸质量分数为1-3%，磷酸质量分数为4-8%。
3.根据权利要求1所述的反射型图像器件的制备方法，其特征在于，步骤（6）中多孔氧化铝模板厚度为200-1000nm。
4.根据权利要求1所述的反射型图像器件的制备方法，其特征在于，步骤（8）中溅射仪采用的靶材为金、银或铝靶。
5.根据权利要求1所述的反射型图像器件的制备方法，其特征在于，步骤（8）中溅射的薄膜由金属颗粒半连续膜、多孔氧化铝膜及金属高反层组成。
6.一种反射型图像器件的应用方法，其特征在于，采用如权利要求1至5任一项所述的反射型图像器件的制备方法得到的反射型图像器件，并在反射型图像器件的多孔氧化铝模板中添加介质材料PMMA或PDMS。
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