CN111426686B - 基于硅纳米柱的结构色成像结构、测试系统及制备方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种基于硅纳米柱的结构色成像结构、测试系统及制备方法，所述基于硅纳米柱的结构色成像结构，包括：衬底；以及多个硅‑铬圆柱纳米结构形成的硅‑铬圆柱纳米结构阵列，位于所述衬底上，用于呈现结构色，每个所述硅‑铬圆柱纳米结构包括：硅圆柱纳米结构，以及覆于其上表面的金属掩膜铬。其能够有效缓解现有技术中结构色成像结构的饱和度低、纯净度低以及效率低等技术问题。

Description

基于硅纳米柱的结构色成像结构、测试系统及制备方法

技术领域

本公开涉及结构色超表面技术和成像设计技术领域，尤其涉及一种基于硅纳米柱的结构色成像结构、测试系统及制备方法。

背景技术

结构色又叫物理色，是一种由光的波长引发的光泽，主要依赖于几何结构的光学效应，使光波发生折射、漫反射、衍射或干涉而产生的各种颜色。根据面内的结构形式，结构色属于超表面中的一种具有横向亚波长的微细结构。

目前，基于米氏共振的全电介质结构色的研究得到了广泛的关注和快速的发展。由于结构的米氏共振波长依赖于固有的材料特性和结构几何形状，因此可以避免传统化学着色的缺点，绿色环保。特别的，高折射率纳米结构能够在可见波长范围内实现内部的光学结合，这允许米氏谐振器应用于亚波长分辨率的显色，提高分辨率。通过改变纳米结构的尺寸和周期等引起的结构色的变化就能简单的起到图像显色的作用。图像显色的基本结构单元是用硅制作的，因为相对于金属超表面来说，硅作为一种高折射率的电介质材料，在可见光范围内有着几乎可以忽略的损耗，硅纳米结构能够同时支持电偶极子和磁偶极子的米氏共振，能够很好地显示出饱和高亮的结构色。在硅上覆盖一层金属掩膜铬，有助于抑制光学装置中米氏共振的不许需要的相互作用，从而抑制不希望的颜色变化。通过调节纳米结构的一系列参数以此来实现更好的显示性能。

相比于传统的染料，结构色由于拥有高分辨率、高信息存储密度、高集成性以及不会褪色等优势而受到人们的重视。实际应用中，向颜色显示的过渡不可避免，但也非常必要。在过去的几年中，纳米结构已经能够实现非常艳丽、广色域的颜色，且空间分辨率大大提高。只要知道单个像素的颜色，就可以通过适当的排列结构来呈现任何图像。与其他显示相比，基于结构色的成像设计可以通过检测样本反射率和吸收率来分析识别成像，同时也可以通过肉眼所观察到的颜色对样本有初步的判断，不需要荧光标签或者其他标签，能够对样品进行原位、无损且无标记的显示。因此，基于这种超表面结构色的成像设计技术是绿色环保的，符合未来科技和社会发展的趋势和需要，然而由于材料的吸收和相对较低的反射，所生成的颜色通常非常有限并且不够纯净，存在饱和度低、色域范围小以及效率低等不足。因此，选择合适的材料和制造方法，设计出一种高效纯净且具有高饱和度的基于结构色的成像技术十分必要。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种基于硅纳米柱的结构色成像结构、测试系统及制备方法，以缓解现有技术中结构色成像结构的饱和度低、纯净度低以及效率低等技术问题。

(二)技术方案

本公开的一个方面，提供一种基于硅纳米柱的结构色成像结构，包括：

衬底；以及多个硅-铬圆柱纳米结构形成的硅-铬圆柱纳米结构阵列，位于所述衬底上，用于呈现结构色，每个所述硅-铬圆柱纳米结构包括：硅圆柱纳米结构，以及覆于其上表面的金属掩膜铬。

在本公开实施例中，所述硅-铬圆柱纳米结构阵列呈周期排列，相邻所述硅-铬圆柱纳米结构的排列周期介于150纳米至400纳米之间。

在本公开实施例中，所述硅圆柱纳米结构的直径介于80纳米至200纳米之间。

在本公开实施例中，所述硅圆柱纳米结构的高度H₁介于100纳米至300纳米之间。

在本公开实施例中，相邻硅圆柱纳米结构之间的间隙G介于70纳米至200纳米之间。

在本公开实施例中，所述金属掩膜铬的厚度H₂为固定值50纳米。

在本公开实施例中，所述金属掩膜铬的直径D介于80纳米至200纳米之间。

本公开的另一方面，提供一种基于硅纳米柱的结构色成像结构的制备方法，用于以上任一项所述的基于硅纳米柱的结构色成像结构，所述制备方法，包括：

步骤S1：准备硅衬底；

步骤S2，在硅衬底上，旋涂PMMA胶；

步骤S3，采用电子束光刻法在PMMA胶上图案化，曝光显影；

步骤S4，采用电子束蒸发方法沉积金属掩膜铬层；

步骤S5，采用湿法去胶方法，剥离图形区域外的金属掩膜铬。以及

步骤S6，采用感应耦合等离子刻蚀方法以金属掩膜铬为掩蔽刻蚀硅，形成硅-铬圆柱纳米结构阵列，完成基于硅纳米柱的结构色成像结构的制备。

在本公开实施例中，根据不同波长需要制作不同直径或周期的硅-铬圆柱纳米结构阵列。

在本公开的又一方面，提供一种基于硅纳米柱的结构色成像结构的测试系统，所述测试系统包括：位于以上任一项所述的基于硅纳米柱的结构色成像结构上方的光源、光探测器、半反射膜、摄像机、光谱仪以及显示器；

由光源发出的探测光经过第一半反半透膜后垂直入射到硅-铬圆柱纳米结构阵列上；硅-铬圆柱纳米结构阵列呈四方格子周期分布，这时在某些波长会产生米氏共振，然后反射光沿入射光路垂直出射，经过第一半反半透膜，再经过第二半反半透膜，一半反射光由摄像机接收，一半反射光由光探测器接收，最后成像于光谱仪的显示器上。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开基于硅纳米柱的结构色成像结构、测试系统及制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)不同阵列周期或者不同尺寸圆柱结构的反射谱特性不同，研究人员可以根据需要制作不同的圆柱结构，满足不同波长情况下的测量；

(2)精度高，与传统的半导体工艺兼容，易于集成；

(3)同时可以观察样品变化带来的结构色的变化，易于观察，且绿色环保。

附图说明

图1为本公开实施例基于硅纳米柱的结构色成像结构的剖面结构示意图。

图2为本公开实施例基于硅纳米柱的结构色成像结构的俯视结构示意图。

图3为本公开实施例基于硅纳米柱的结构色成像结构中衬底上的硅-铬圆柱纳米结构的立体结构示意图。

图4为本公开实施例基于硅纳米柱的结构色成像结构的测试系统组成示意图。

图5为本公开实施例基于硅纳米柱的结构色成像结构的制备流程示意图；

图6为本公开实施例制备的一种基于硅纳米柱的结构色成像结构的示意图。

图7为本公开实施例制备的另一种基于硅纳米柱的结构色成像结构的示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1-硅衬底；2-硅-铬圆柱纳米结构；3-光源；4-第一半反透膜；5-第二半反透膜；6-光探测器；7-摄像机；8-显示器。

具体实施方式

本公开提供了一种基于硅纳米柱的结构色成像结构、测试系统及制备方法，与传统的半导体工艺兼容，制造工艺简单。其采用圆柱形周期纳米阵列，不同高度和半径的圆柱周期阵列的反射谱特性不同，研究人员可以根据需要制作不同高度和周期的圆柱形周期阵列，满足不同波长情况下的测量，以及不同颜色的图形显示。采用圆柱形周期纳米阵列激发米氏共振产生的结构色，绿色环保，分辨率高，可通过显微镜和照相机初步观察到图像的色彩变化。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种基于硅纳米柱的结构色成像结构，结合图1至图3所示，所述基于硅纳米柱的结构色成像结构，包括：

衬底；

多个硅-铬圆柱纳米结构形成的硅-铬圆柱纳米结构阵列，位于所述衬底上，用于呈现结构色，每个所述硅-铬圆柱纳米结构包括：

硅圆柱纳米结构，以及覆于其上表面的金属掩膜铬。

所述硅-铬圆柱纳米结构阵列呈周期排列，相邻所述硅-铬圆柱纳米结构在x和y方向的排列周期均介于150纳米至400纳米之间；

所述硅圆柱纳米结构的高度H₁介于100纳米至300纳米之间；

所述硅圆柱纳米结构之间的间隙G介于70纳米至200纳米之间。

所述金属掩膜铬的厚度H₂为固定值50纳米，直径D介于80纳米至200纳米之间；

所述硅-铬圆柱纳米结构阵列通过半导体工艺制造过程生成；

在本公开实施例中，如图3所示，该纳米结构包括硅衬底及上面的硅圆柱纳米结构(浅色区域)，在硅圆柱纳米结构上覆盖的一层金属掩蔽铬(深色区域)。如图2所示，圆柱纳米结构呈周期排列形成圆形柱纳米结构阵列，相邻圆柱纳米结构在x和y方向周期介于150纳米至400纳米之间。对于硅-铬圆柱纳米结构阵列中的单个圆柱纳米结构，硅圆柱纳米结构的高度H₁(如图1所示)介于100纳米至300纳米之间，硅圆柱上面覆盖的金属掩膜铬的厚度H₂为固定值50纳米，直径D介于80纳米至200纳米之间，圆柱之间的间隙G介于70纳米至200纳米之间。

在本公开实施例中，如图4所示，提供一种基于硅纳米柱的结构色成像结构的测试系统，所述测试系统包括：位于所述基于硅纳米柱的结构色成像结构上方的光源；光探测器、分束器、摄像机、光谱仪以及显示器。由光源3发出的探测光经过第一半反半透膜4后垂直入射到硅-铬圆柱纳米结构阵列上。硅-铬圆柱纳米结构阵列呈四方格子周期分布，这时在某些波长会产生米氏共振，然后反射光沿入射光路垂直出射，经过第一半反半透膜4，再经过第二半反半透膜5，一半反射光由摄像机7接收，一半反射光由光探测器6接收，最后图像呈现在显示屏8上。

在本公开实施例中，还提供一种基于硅纳米柱的结构色成像结构的制备方法，为方便起见，以下说明中，硅-铬圆柱纳米结构阵列采用的材料为硅，其折射率为3.4；如图5所示，所述制备方法包括：

步骤S1：准备硅衬底；

步骤S2，在硅衬底上，旋涂PMMA胶；

步骤S3，采用电子束光刻法在PMMA胶上图案化，曝光显影；

步骤S4，采用电子束蒸发方法沉积金属掩膜铬层；

步骤S5，采用湿法去胶方法，剥离图形区域外的金属掩膜铬。

步骤S6，采用感应耦合等离子(ICP)刻蚀方法以金属掩膜铬为掩蔽刻蚀硅，形成硅-铬圆柱纳米结构阵列，完成基于硅纳米柱的结构色成像结构的制备。

所述硅-铬圆柱纳米结构阵列用于检测其反射率及颜色变化，由硅-铬圆柱纳米结构阵列中的米氏共振引起的折射率变化以及结构色来进行成像设计。

下面结合具体的实施例进行详细说明。

实施例一：

选择硅为基底。

在硅片表面旋涂150nm厚电子束敏感树脂PMMA。

通过电子束曝光，电子束电压100Kv，电流200pA，电子剂量1000μC/cm²；在电子束光刻胶上曝光圆形孔阵列，圆形孔的直径约190nm，周期280nm。

通过电子束蒸发的方法，在PMMA光刻胶上沉积50nm Cr。

通过湿法去胶的方法，去掉电子束光刻胶，剥离图形区域以外的Cr，使用的溶液依次是丙酮、无水乙醇、去离子水，然后用N2吹干。

通过感应耦合等离子刻蚀的方法，刻蚀带有金属掩蔽Cr的硅，刻蚀使用的工艺气体是28sccm氩气，80sccm溴化氢，工作气压800Pa，功率300W，刻蚀45s。

如图6所示即为实施例一所制成的硅-铬圆柱纳米结构阵列。

实施例二：

选择硅为基底；

在硅片表面旋涂150nm厚电子束敏感树脂PMMA。

通过电子束曝光，电子束电压100Kv，电流200pA，电子剂量1100μC/cm²；在电子束光刻胶上曝光圆形孔阵列，圆形孔的直径约100nm，周期235nm。

通过电子束蒸发的方法，在PMMA光刻胶上沉积50nm Cr。

通过湿法去胶的方法，去掉电子束光刻胶，剥离图形区域以外的Cr，使用的溶液依次是丙酮、无水乙醇、去离子水，然后用N₂吹干。

通过感应耦合等离子刻蚀的方法，刻蚀带有金属掩蔽Cr的硅，刻蚀使用的工艺气体是28sccm氩气，80sccm溴化氢，工作气压800Pa，功率300W，刻蚀50s。

如图7所示即为实施例二所制成的硅-铬圆柱纳米结构阵列。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于硅纳米柱的结构色成像结构、测试系统及制备方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种基于硅纳米柱的结构色成像结构、测试系统及制备方法，通过电子束光刻和电子束蒸发沉积方法形成圆柱周期阵列，精度高；与传统的半导体工艺兼容，易于集成；采用圆柱纳米阵列结构激发米氏共振，根据折射率的变化，同时可以观察样品变化带来的结构色的变化，易于观察，且绿色环保；成像显示技术设计时，不同阵列周期或者不同尺寸圆柱结构的反射谱特性不同，研究人员可以根据需要制作不同的圆柱结构，满足不同波长情况下的测量。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例牛的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于硅纳米柱的结构色成像结构，包括：

硅衬底；以及

多个硅-铬圆柱纳米结构形成的硅-铬圆柱纳米结构阵列，位于所述硅衬底上，用于呈现结构色，每个所述硅-铬圆柱纳米结构包括：

硅圆柱纳米结构，以及覆于其上表面的金属掩膜铬；

以所述金属掩膜铬为掩蔽刻蚀硅衬底，形成所述硅-铬圆柱纳米结构阵列，所述硅圆柱纳米结构的高度H₁介于100纳米至300纳米之间，金属掩膜铬的厚度H₂为固定值50纳米。

2.根据权利要求1所述的基于硅纳米柱的结构色成像结构，所述硅-铬圆柱纳米结构阵列呈周期排列，相邻所述硅-铬圆柱纳米结构的排列周期介于150纳米至400纳米之间。

3.根据权利要求1所述的基于硅纳米柱的结构色成像结构，所述硅圆柱纳米结构的直径介于80纳米至200纳米之间。

4.根据权利要求1所述的基于硅纳米柱的结构色成像结构，相邻硅圆柱纳米结构之间的间隙G介于70纳米至200纳米之间。

5.根据权利要求1所述的基于硅纳米柱的结构色成像结构，所述金属掩膜铬的直径D介于80纳米至200纳米之间。

6.一种基于硅纳米柱的结构色成像结构的制备方法，用于制备权利要求1至5任一项所述的基于硅纳米柱的结构色成像结构，所述制备方法，包括：

步骤S1：准备硅衬底；

步骤S2，在硅衬底上，旋涂PMMA胶；

步骤S3，采用电子束光刻法在PMMA胶上图案化，曝光显影；

步骤S4，采用电子束蒸发方法沉积金属掩膜铬层；

步骤S5，采用湿法去胶方法，剥离图形区域外的金属掩膜铬；以及

步骤S6，采用感应耦合等离子刻蚀方法以金属掩膜铬为掩蔽刻蚀硅，形成硅-铬圆柱纳米结构阵列，完成基于硅纳米柱的结构色成像结构的制备。

7.根据权利要求6所述的基于硅纳米柱的结构色成像结构的制备方法，根据不同波长需要制作不同直径或周期的硅-铬圆柱纳米结构阵列。

8.一种基于硅纳米柱的结构色成像结构的测试系统，所述测试系统包括：位于权利要求1至5任一项所述的基于硅纳米柱的结构色成像结构上方的光源、光探测器、半反射膜、摄像机、光谱仪以及显示器；

由光源发出的探测光经过第一半反半透膜后垂直入射到硅-铬圆柱纳米结构阵列上；硅-铬圆柱纳米结构阵列呈四方格子周期分布，这时在某些波长会产生米氏共振，然后反射光沿入射光路垂直出射，经过第一半反半透膜，再经过第二半反半透膜，一半反射光由摄像机接收，一半反射光由光探测器接收，最后成像于光谱仪的显示器上。

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