CN110501772A - 基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超高分辨率彩色滤光片技术领域，尤其涉及基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片及其制备方法和应用。包括：透明衬底、介质超表面和透明覆盖层；其中，所述介质超表面为纳米柱结构的氢化非晶硅，其呈阵列式结构分布在透明衬底表面；所述透明覆盖层覆盖在介质超表面上，从而将介质超表面密封在透明覆盖层中。本发明的彩色滤光片能同时工作在透射和反射模式下，显著提高光利用效率；同时，通过简单调整超表面中单个亚波长结构的结构参数，还能够实现全彩色超高分辨率彩色打印。

Description

基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片及其制备方 法和应用

技术领域

本发明涉及超高分辨率彩色滤光片技术领域，尤其涉及基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片及其制备方法和应用。

背景技术

本发明背景技术中，公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

彩色滤光片是一种通过对可见光频谱范围内特定波长进行选择性反射或透射而呈现不同颜色的常用光学元件，被广泛地应用到显示成像、传感探测、光伏器件、彩色全息、无油墨彩色打印等领域中。相比与传统基于化学染料的彩色滤光片，基于纳米结构的彩色滤光片具有环保、低成本、高稳定性、高分辨率、与半导体加工工艺兼容等优点。

基于薄膜干涉和衍射光栅的传统光学元件受制于衍射极限，无法进一步提高器件的分辨率。等离子体超表面的出现成功解决了上述问题，能够实现超越衍射极限的超高分辨率。但是，等离子体超表面中金属会产生不可避免的传导损耗，从而难以实现高效的透射型彩色滤光片，导致目前报道的高效超表面彩色滤光片只工作在反射模式。

基于高折射率硅的介质超表面具有和等离子体超表面一样的灵活电磁调控特性，能够实现超高分辨率彩色滤光片。并且，由于介质超表面没有传导损耗，被认为是取代等离子体超表面实现高效透射型彩色滤光片的最佳结构。然而，本发明人认为：目前开发的基于介质超表面的彩色滤光片仍然主要工作在反射模式下。

发明内容

针对上述问题，本发明人认为：造成该结果的原因主要来自于主流硅(包括晶体硅和非晶硅)的材料特性，主要表现在：晶体硅在可见光频谱范围内具有低光吸收损耗的优异光学特性，但是无法实现在透明基板等异质基板上的沉积；非晶硅能够在低温下沉积到玻璃等透明基板上，但是在短波长处(尤其在波长小于450nm范围内)具有很高的光吸收损耗，因此难以实现反射和透射模式下蓝色和黄色的滤出。为此，本发明提出基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片及其制备方法和应用。本发明的彩色滤光片能同时工作在透射和反射模式下，显著提高光利用效率；同时，通过简单调整超表面中单个亚波长结构的结构参数，还能够实现全彩色超高分辨率彩色打印。

本发明第一目的：提供基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片。

本发明第二目的：提供基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片的制备方法。

本发明第三目的：提供所述基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片及其制备方法的应用。

为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：

首先，本发明公开基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片，包括：透明衬底、介质超表面和透明覆盖层；其中，所述介质超表面为纳米柱结构的氢化非晶硅，其呈阵列式结构分布在透明衬底表面；所述透明覆盖层覆盖在介质超表面上，从而将介质超表面密封在透明覆盖层中。

作为进一步的技术方案，所述透明衬底的材质为具有高透射率的玻璃、石英，或者采用柔性衬底PMMA，以便于实现与其他柔性器件的集成。

作为进一步的技术方案，所述透明覆盖层的材质为透明PDMS或者PMMA。透明覆盖层不仅可以用来保护超表面结构，增强彩色滤光片的稳定性，还保证了折射率匹配，增强超表面共振模的激发。

作为进一步的技术方案，所述纳米柱的高度在80nm到120nm的范围内选择。

作为进一步的技术方案，所述纳米柱的直径在60nm到170nm范围内选择,不同尺寸的直径对应着不同颜色的滤出。氢化非晶硅纳米柱激发的电偶极子和磁偶极子共振模的质量因子和共振波长主要受纳米柱的高度和直径影响。因此，首先需要确定纳米柱的高度，使得在可见光频谱范围内只存在一个共振波峰(反射)和共振波谷(透射)，保证滤光片呈现高色纯度；而通过改变纳米柱的直径能够实现对共振波长的调控，得到宽色域的反射和透射颜色。

作为进一步的技术方案，所述介质超表面由三组阵列构成，每组阵列中包含若干个呈阵列分布的具有不同直径的纳米柱，这种结构能够选择性地反射和透射某个特定波长。

作为进一步的技术方案，所述纳米柱阵列结构的周期需要根据纳米柱直径和高度在80nm到400nm范围内选择合适的值。相邻纳米柱之间的近场耦合效应会相应地导致光谱共振波长位置和带宽的改变，从而改变滤出的颜色及颜色的饱和度。所以，通过同时改变纳米柱的直径和周期使彩色滤光片能够得到更多的颜色并提高颜色的饱和度，大大拓宽滤光片的色域。

作为进一步的技术方案，除了采用纳米柱阵列构成介质超表面外，还可以考虑采用纳米正方块或长方块阵列，研究显示其也能得到与纳米柱阵列结构类似的滤光效果。

本发明滤光片的特点之一是：氢化非晶硅作为非晶硅的一种，具有与晶体硅类似的高折射率，并且能够在低温下沉积到透明衬底上。同时，通过用氢代替典型非晶硅中的悬挂键，氢化非晶硅克服了典型非晶硅中由于大量悬挂键存在而导致高光损耗的缺点。因此，氢化非晶硅同时结合了晶体硅和典型非晶硅的优势，展现出高折射率、低光损耗和可沉积到透明异质衬底上的优异光学特性，从而被用作构建介质超表面的最佳材料。

本发明滤光片的特点之二是：超表面中每个氢化非晶硅纳米柱可作为独立的纳米共振器，能够在纳米柱内部产生由米氏散射激发的电偶极子共振和磁偶极子共振，从而对可见光进行选择性地反射和透射。在反射模式下，光在共振波长处被高度反射，在非共振波长处高度透射，形成具有波峰的反射频谱。在透射模式下，则能够得到一个和反射频谱互补的具有一个波谷的透射频谱。通过改变纳米柱的直径和周期，能够灵活地调控共振波长，最终得到反射模式下的红、绿、蓝(RGB：Red，green and blue)和透射模式下的青、品红、黄(CMY：Cyan，magenta and yellow)三基色的产生。

本发明滤光片的特点之三是：虽然单个纳米柱也能够独立地对可见光进行调控，完成滤色功能，得到超高分辨率，但是其滤光效率低导致滤出的颜色纯度和亮度极低，难以分辨；因此，采用纳米柱阵列的形式。

其次，本发明公开所述基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片的制备方法，包括如下步骤：在透明衬底上沉积氢化非晶硅薄膜；然后将该薄膜加工成纳米柱阵列结构；最后在纳米柱阵列结构上沉积透明覆盖层，即得。

作为进一步的技术方案，可通过电子束光刻或者纳米压印的方式得到纳米柱阵列结构。

作为进一步的技术方案，还包括步骤：透明覆盖层沉积后，将滤光片的外表面加工成光滑状态，具体可采用刻蚀的方法得到。

最后，本发明公开所述基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片及其制备方法在显示成像、传感探测、光伏器件、彩色全息、彩色打印等领域中的应用。

与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

(1)相对与现有技术，本发明提出的滤光片具有高效率、易加工、低成本、超高分辨率的卓越性能，能够被用于超高分辨率高效显示成像器件的开发，并且进一步促进器件小型化。

(2由于本发明采用了具有高折射率、低光学损耗和可沉积到透明衬底上等显著优势的氢化非晶硅材料，能够成功开发出传统晶体硅和非晶硅难以实现的高效透射型彩色滤光片，大幅度提高了光利用效率。

(3)由于介质超表面中呈阵列式分布的纳米柱是对称结构，因此本发明提出的彩色滤光片具有偏振不敏感的光学特性，即当入射光的偏振方向改变时，彩色滤光片能够输出稳定不变的光学频谱和颜色响应。

(4)氢化非晶硅超表面中每个纳米柱激发的米氏共振模式促使基于介质超表面的彩色滤光片产生生动颜色，该共振方式与入射光波什不相关，因此本发明中的彩色滤光片具有入射光不敏感的优异光学特性。即当入射角度发生改变时，彩色滤光片能够保证输出稳定不变的光学频谱和颜色响应。

(5)根据发明中单个纳米柱能够激发米氏共振模式，从而独立地对可见光频谱进行调控，本发明只需单个或几个纳米柱就能产生高纯度颜色，能够实现超越衍射极限的超高分辨率。同时，利用该共振结构的特性，通过简单地改变纳米柱直径就能实现全彩色的生成。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1中基于氢化非晶硅超表面的透射、反射型三色彩色滤光片的结构示意图，即反射模式下的红、绿、蓝(RGB：Red，green and blue)和透射模式下的青、品红、黄(CMY：Cyan，magenta and yellow)。

图2为本发明实施例2中基于氢化非晶硅纳米柱超表面的透射、反射型三色彩色滤光片的透射频谱和反射频谱。

图3为本发明实施例3中基于氢化非晶硅纳米柱超表面的透射、反射型三色彩色滤光片的透射频谱和反射频谱。

图4为本发明实施例4中基于纳米正方块、长方块阵列的彩色滤光片结构示意图。

附图中标记分别代表：1-透明衬底；2-透明覆盖层；3-氢化非晶硅纳米柱；4-氢化非晶硅纳米正方块；5-氢化非晶硅纳米长方块。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所述，由于介质超表面没有传导损耗，被认为是取代等离子体超表面实现高效透射型彩色滤光片的最佳结构；然而，目前开发的基于介质超表面的彩色滤光片仍然主要工作在反射模式下。因此，本发明提出基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片及其制备方法，现结合附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。

实施例1

参考图1，一种基于氢化非晶硅超表面的透射、反射型三色彩色滤光片，包括：透明衬底1、透明覆盖层2和介质超表面；其中，所述介质超表面为纳米柱结构的氢化非晶硅(即氢化非晶硅纳米柱3)，其呈阵列式结构分布在透明衬底1的表面；所述透明覆盖层2覆盖在介质超表面上，从而将介质超表面密封在透明覆盖层中。所述介质超表面由三组阵列构成，每组阵列中包含若干个呈阵列分布的纳米柱。

实施例2

一种基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片，同实施例1，区别在于：所述透明衬底的材质为具有高透射率的玻璃，所述透明覆盖层的材质为透明PMMA；所述纳米柱的高度为80nm，透射CMY和反射RGB三基色对应的直径和周期分别为170、130、80nm和400、350、120nm。

实施例3

一种基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片，同实施例1，区别在于：所述透明衬底的材质为具有高透射率的PMMA，所述透明覆盖层的材质为透明PDMS；所述纳米柱的高度为120nm，透射CMY和反射RGB三基色对应的直径和周期分别为130、100、60nm和400、200、80nm。

实施例4

一种基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片，同实施例1，区别在于：参考图4，用氢化非晶硅纳米正方块/长方块(分别为左图、右图)形成的阵列代替氢化非晶硅纳米柱阵列构成介质超表面，也能得到类似的滤光效果。本实施例中的彩色滤光片能够被广泛地应用于实现超高分辨率的超小型显示或图像器件。

实施例5

实施例1中基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片的制备方法：在透明衬底上沉积氢化非晶硅薄膜；然后通过纳米压印的方式将该薄膜加工成纳米柱阵列结构；最后在纳米柱阵列结构上沉积透明覆盖层，并采用刻蚀的方法将滤光片的外表面加工成光滑状态，即得。

性能测试：

参考图2，对实施例2中提出的基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片的性能进行了测试。从得到的透射频谱来看，在610、545、435nm三个共振波长处实现了对入射光透射的强烈抑制，而在非共振波长处实现入射光的高度透射，最终形成具有一个波谷的透射频谱，分别对应着CMY三基色的滤出；从得到的反射频谱来看，在610、554、442nm三个共振波长处实现了对入射光强烈反射，而在非共振波长处实现对入射光反射的高度抑制，最终形成具有一个反射峰的反射频谱，分别对应着RGB三基色的滤出。

参考图3，对实施例3中提出的基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片的性能进行了测试。从得到的透射频谱来看，在622、534、424nm三个共振波长处实现了对入射光透射的强烈抑制，而在非共振波长处实现入射光的高度透射，最终形成具有一个波谷的透射频谱，分别对应着CMY三基色的滤出；从得到的反射频谱来看，在622、536、468nm三个共振波长处实现了对入射光强烈反射，而在非共振波长处实现对入射光反射的高度抑制，最终形成具有一个反射峰的反射频谱，分别对应着RGB三基色的滤出。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片，其特征在于，包括：透明衬底、介质超表面和透明覆盖层；其中，所述介质超表面为纳米柱结构的氢化非晶硅，其呈阵列式结构分布在透明衬底表面；所述透明覆盖层覆盖在介质超表面上。

2.如权利要求1所述的基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片，其特征在于，所述透明衬底的材质为具有高透射率的玻璃或石英或柔性衬底PMMA；优选地，所述透明覆盖层的材质为透明PDMS或PMMA。

3.如权利要求1所述的基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片，其特征在于，所述纳米柱的高度在80nm到120nm的范围内选择。

4.如权利要求1所述的基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片，其特征在于，所述纳米柱的直径在60nm到170nm范围内选择。

5.如权利要求1所述的基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片，其特征在于，所述介质超表面由三组阵列构成，每组阵列中包含若干个呈阵列分布的纳米柱。

6.如权利要求1所述的基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片，其特征在于，所述纳米柱阵列结构的周期在80nm到400nm范围内选择。

7.如权利要求1-6任一项所述的基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片，其特征在于，用纳米正方块或长方块阵列代替纳米柱阵列构成介质超表面。

8.基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：在透明衬底上沉积氢化非晶硅薄膜；然后将该薄膜加工成纳米柱阵列结构；最后在纳米柱阵列结构上沉积透明覆盖层，即得。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，通过电子束光刻或者纳米压印的方式得到纳米柱阵列结构；

优选地，还包括步骤：透明覆盖层沉积后，将滤光片的外表面加工成光滑状态，更优选为采用刻蚀的方法将滤光片的外表面加工成光滑状态。

10.如权利要求1-7任一项所述的基于氢化非晶硅超表面的超高分辨率彩色滤光片和/或如权利要求8或9所述的制备方法在显示成像、传感探测、光伏器件、彩色全息、彩色打印领域中的应用。