CN112216218B - 一种动态等离子体像素及其全彩调节方法 - Google Patents

一种动态等离子体像素及其全彩调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种动态等离子体像素及其全彩调节方法，属于光学调控技术领域。本发明解决了现有通过改变像素集合性质和介电性质的方法实现的动态调节颜色过程中，无法实现全色调节的问题。本发明提供的动态等离子体像素由三种不同类型的颜色模块组成，其相互之间的角度为60°，该像素在不改变结构特性或周围环境的情况下，通过照明不同偏振方向的线偏振光，可以在整个色相范围内快速而精确地控制颜色。同时，通过对颜色模块的适当选择和布局，可以针对不同的初始输出颜色和颜色调优顺序等各种动态过程灵活定制。此外，利用单个模块或引入黑色模块，将动态色彩调优扩展到非彩色、白色或黑色。该像素具有相当大的潜力成为下一代彩色像素集成液晶极化器。

Description

一种动态等离子体像素及其全彩调节方法
技术领域
本发明涉及一种基于模块化设计的动态等离子体像素及其全彩调节方法，属于光学调控技术领域。
背景技术
动态色彩调节在显示成像、主动伪装和信息加密等应用中具有广泛的应用前景。到目前为止，已经出现了多种可重构方法来实现色彩的动态调节，目前实现动态颜色调节的方法主要有改变纳米结构的几何性质和改变介电性质。然而，这些方法依然不能满足在不改变硬件配置和材料性能的情况下，以简单、稳定和快速的方式连续调节所有颜色的色调，即现有技术仍然不能满足动态彩色显示器的要求。因此，提供一种动态等离子体像素及其全彩调节的方法是十分必要的。
发明内容
本发明为了解决现有通过改变像素集合性质和介电性质的方法实现的动态调节颜色过程中，无法实现全色调节的问题，提供一种基于模块化设计的动态等离子体像素及其全彩调节方法。
一种动态等离子体像素，该像素基于减色原理，每个像素包括基底和位于基底上的子模块；每个像素包括品红色、黄色和青色三种颜色的子模块，每种颜色的子模块数量为一个或多个，且每个像素是由三种颜色的子模块构成的非对称结构，三种不同颜色的子模块组合在亚波长结构单元内；该像素通过连续变化的0°-180°的偏振角度的入射光产生全范围的颜色。
进一步地，基底为表面沉积有铝膜层的硅基板，基底是边长为360nm的正方形，所述的位于基底上的子模块包括2个黄色子模块、1个品红色子模块和1个青色子模块，黄色子模块、品红色子模块和青色子模块均为长方体结构；其中两个黄色子模块位于基底的对角处，并关于基底中心成中心对称；品红色子模块和青色子模块分别位于其余两个对角处；假定2个黄色子模块的长边关于旋转轴的旋转角为0°，则品红色子模块的长边关于旋转轴的旋转角为60°，青色子模块的长边关于旋转轴的旋转角为120°。
进一步地，硅基板表面沉积的铝膜层厚度为100nm。
进一步地，黄色子模块的吸收截面均小于品红色子模块和青色子模块的吸收截面。
更进一步地，品红色子模块是长度为120nm，宽度为50nm，厚度为60nm的长方体；黄色子模块是长度为95nm，宽度为50nm，厚度为60nm的长方体；青色子模块是长度为140nm，宽度为50nm，厚度为60nm的长方体。
更进一步地，位于基底上的子模块均由SiO2膜层和铝膜层组成，其中铝膜层位于SiO2膜层上方，且SiO2膜层和铝膜层的厚度均为30nm。
上述动态等离子体像素的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1，采用电子束蒸发器将铝膜层沉积在硅基板上；
S2，将电子束抗蚀剂950PMMA A4旋涂在S1获得的铝膜层上，并在180℃条件下烘烤90s；
S3，然后进行电子束光刻，具体条件为：30kV加速电压，360pA束流，100×100μm2的基底模块；
S4，光刻结束后，在0℃的甲基异丁基酮和异丙醇的混合液中浸泡45s，然后使用异丙醇冲洗5s，其中混合液是甲基异丁基酮和异丙醇以体积比为1:3混合制的；
S5，然后采用电子束蒸发器依次沉积30nm的SiO2膜层和30nm的铝膜层；
S6，最后，在60℃的丙酮溶剂中浸泡，取出后使用异丙醇冲洗10s并使用氮气吹干，获得动态等离子体像素。
进一步地，S1和S5中电子束蒸发器沉积条件为：压力为1.2×10-6Torr，沉积速率为1.5A/s。
进一步地，利用单个所述的子模块或一如黑色模块，将动态色彩调优扩展到非彩色、白色或黑色。
上述动态等离子体像素的调节方法，该调节方法包括以下步骤：
步骤一，通过光学仿真设计相应的模块布局，确定结构的初始尺寸及其对应的初始输出颜色；
步骤二，确定等离子模块像素的颜色调节顺序，通过输出颜色顺序，确定相应的入射波长以及偏振顺序，确定偏振的输出色节。
本发明具有以下有益效果：本发明提出了一个全光偏振可调谐等离子体像素方案，通过模块化设计，实现动态全色调谐打破单位单元布局的内在对称性。本申请提供的动态全色可调谐等离子体像素由三种不同类型的颜色模块组成，其相互之间的角度为60°，对应三种减色法原色。在不改变结构特性或周围环境的情况下，通过入射不同偏振方向的线偏振光，可以在整个色相范围内快速而精确地控制结构颜色。同时，通过对组件模块的适当选择和模块布局的精心设计，等离子体像素可以针对不同的初始输出颜色和颜色调优顺序等各种动态过程灵活定制。此外，利用单个模块或引入黑色模块，将动态色彩调优扩展到非彩色、白色或黑色。提出的动态可调谐等离子体像素作为下一代彩色像素集成液晶极化器，具有相当大的潜力。
附图说明
图1a为动态可调等离子体像素的示意图；
图1b为正入射、不同偏振照明下全色可调谐等离子体像素的反射谱；
图1c为当偏振从0°增加到180°时CIE-1931色度图上色坐标的循环路径；
图2中a为动态可调等离子体像素的SEM图像；b为用入射光的偏振角标记的彩色调色板的明场光学显微图；c为制作的调色板在不同偏振角度下的色度坐标，显示出全彩输出；d为不同偏振角下，全彩可调谐等离子体像素的仿真和实验反射光谱；e为不同偏振角下的吸收光谱；f为三个不同模块的吸收截面；
图3为不同模块布局下不同的色彩调整序列的仿真结果；
图4为信息加密(偏振隐藏)演示，不同的偏振入射下，实现对不同信息的隐藏和显示。
图5为消色差色与三原色减色法的动态色彩切换。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
实施例1：
如图1a所示，每个动态等离子体像素包括基底和位于基底上的子模块，基底为表面沉积有铝膜层的硅基板，基底是边长为360nm的正方形，位于基底上的子模块包括2个黄色子模块、1个品红色子模块和1个青色子模块，黄色子模块、品红色子模块和青色子模块均为长方体结构；其中两个黄色子模块位于基底的对角处，并关于基底中心成中心对称；品红色子模块和青色子模块分别位于其余两个对角处；假定2个黄色子模块的长边关于旋转轴的旋转角为0°，则品红色子模块的长边关于旋转轴的旋转角为60°，青色子模块的长边关于旋转轴的旋转角为120°。其中硅基板表面沉积的铝膜层厚度为100nm。品红色子模块是长度为120nm，宽度为50nm，厚度为60nm的长方体；黄色子模块是长度为95nm，宽度为50nm，厚度为60nm的长方体；青色子模块是长度为140nm，宽度为50nm，厚度为60nm的长方体。
由于动态等离子体像素感知到的颜色，可以通过三种原色的混合再现，位于一个三角形内，顶点对应于色度图上的这三种原色。同样地，为了动态地构建全色可调谐等离子体像素，三个不同的基色模块被组合在一个亚波长单元中，它们是不同尺寸和方向的偏振依赖性等离子体纳米天线。然而，它们并没有在相同的极化角度下被激发，因为每个主色模块只在一个特定的极化角度下起主导作用，这取决于等离子体纳米天线的旋转角度。图1a还显示了偏振控制的全彩色可调谐等离子体像素(FCTPP)的原理图。采用三种不同长度的矩形铝纳米管和硅纳米管分别作为由减色法颜色模型中吸收共振波长决定的黄色、品红和青色的颜色模块。由于相对较小的尺寸，黄色模块的的吸收截面要小于品红色和青色模块的吸收截面，为了弥补黄色模块的低吸收效率和短波宽窄，沿单元单元的对角象限布置了两个相同的纳米天线，作为黄色模块。三种不同类型的颜色模块相互旋转60°的角度形成非对称结构，使生成的纳米结构对入射光的线偏振角敏感。该模块以60°间隔排列，以最小化由至少一个其他颜色模块的部分激发产生的颜色串扰。例如，入射光的偏振方向对准其中一个模组的长轴时，该偏振方向沿另外两个模组的长轴的非零分解仍然会导致其纵向共振模的部分激发。动态等离子体像素重复单元设置为360nm，可抑制光栅效应，保证分辨率接近衍射极限，色彩同质度高。
为了验证本申请动态等离子体像素在线性偏振光照射下，偏振角从0°变为180°时，能够反射出不同的颜色，采用有限差分时域软件(Lumerical，加拿大)获得上述动态等离子体像素在正入射、不同偏振照明下的仿真反射谱，如图1b所示，由图1b可知，三个反射倾角分别位于极化角分别为：60℃在440nm附近，在540nm附近；120℃，在610nm附近。这三种反射倾角对应于三种减色法三原色，偏振相关的反射光谱会在减色法混合的基础上产生不同的颜色。
此外，每个动态等离子体像素可以将光强烈地限制在间隔区域内，从而限制了动态等离子体像素与相邻动态等离子体像素的耦合。因此，这种偏振控制的全色调谐的起源在于单个结构中隙表面等离子体的固有偏振依赖性激发。为了评价FCTP的性能，计算出在15°的不同极化角度下，从从0°到18°的反射率光谱的色度坐标，并在CIE-1931色度图上绘制成黑点，如图1c所示。使用CIE“白光”光源D65转换色度坐标。可以清楚地看到，当入射偏振角从0°增加到80°时，色度坐标由黄色逐渐变为品红，然后变为青色，最后又回到黄色，如白色虚线箭头所示。偏振控制的全色调谐用色度图上白点周围的黑色虚线椭圆表示，表明通过控制入射光的偏振角可以精确调制全色输出。
上述动态等离子体像素的制备方法，具体过程如下：
S1，采用电子束蒸发器将铝膜层沉积在硅基板上；
S2，将电子束抗蚀剂950PMMA A4旋涂在S1获得的铝膜层上，并在180℃条件下烘烤90s；
S3，然后进行电子束光刻，具体条件为：30kV加速电压，360pA束流，100×100μm2的基底模块；
S4，光刻结束后，在0℃的甲基异丁基酮和异丙醇的混合液中浸泡45s，然后使用异丙醇冲洗5s，其中混合液是甲基异丁基酮和异丙醇以体积比为1:3混合制的；
S5，然后采用电子束蒸发器依次沉积30nm的SiO2膜层和30nm的铝膜层；
S6，最后，在60℃的丙酮溶剂中浸泡，取出后使用异丙醇冲洗10s并使用氮气吹干，获得动态等离子体像素。
其中S1和S5中电子束蒸发器沉积条件为：压力为1.2×10-6Torr，沉积速率为1.5A/s。
获得的动态等离子体像素的SEM图，如图2a所示，由图2a可知，上述方法制备的动态等离子体像素具有很小的缺陷，如长方体为圆角。图2b为用入射光的偏振角标记的彩色调色板的明场光学显微图，结果显示在偏振角为0°、60°和120°时，分别得到了黄色、品红色和青色三种减法原色。图2c为制作的调色板在不同偏振角度下的色度坐标，证明了单个动态等离子体像素在不同偏振方向上可以显示出全彩输出。图2d为不同偏振角下，全彩可调谐等离子体像素的仿真和实验反射光谱，如图红点所示，在改变结构性质或周围环境导致的共振波长的逐渐红移相反，通过改变入射偏振角，不对称纳米结构产生的反射倾角在三种共振波长之间急剧变化。三种反射倾角分别在0°、60°和120°偏振角时最为突出，这主要是由于子模块的旋转角度。实验结果表明，反射谱与模拟结果吻合较好，由此可知，偏振相关的反射谱与三个子模块角度相关的组合有关。图2e为不同偏振角下的吸收光谱，实现显示三个波长的模拟吸收率随偏振角的变化，在偏振角分别为0°、60°和120°时呈现最大的cos函数平方的曲线形状。图2f为三个不同模块的吸收截面，由于模拟的光谱形状与分析吸收截面形状吻合较好，说明解析模型可以很好地描述非对称结构的偏振依赖性质。
图3为不同模块布局下不同的色彩调整序列的仿真结果，在色度图上按顺时针顺序将初始色为黄、品红和青色的a-c动态全色调优；在色度图上按逆时针顺序将初始色为黄、品红和青色的d-f动态全色调优。由图3可知，初始颜色由颜色模块沿偏振角0°方向确定，颜色调节顺序与其他两个颜色模块的旋转角度有关。基于模块化设计方法的灵活性和可配置性，可以使用各种模块布局灵活定制颜色调优的动态过程，颜色调谐的动态过程变得可定制，不再是简单的红移或蓝移变化。
图4为信息加密(偏振隐藏)演示，通过改变入射光的偏振角，雪、蒸汽和水滴的三种形态可以被依次隐藏，由图4可知，本发明提供的动态等离子体像素适合用于信息加密。
图5为消色差色与三原色减色法的动态色彩切换。其中a-c模拟了白色与三种减色法三原色黄、品红、青色之间的反射光谱和颜色转换过程；d-f模拟了黑色与三种减色法三原色青色、品红和黄色之间的反射光谱和颜色转换的演变。箭头表示入射光的初始偏振角。由图5可知，基于模块化设计方法提供的动态可调等离子体像素不仅可以在不同的色彩之间进行动态色彩调节，还可以在彩色和非彩色(即白色或黑色)之间进行动态色彩调节，由于三原色减色法的颜色模块可以独立工作，因此在单元中只使用一种偏振相关的颜色模块进行颜色切换。当产生三种减色发三原色的特定极化角度(0°，60°，120°)与等离子体纳米线的扭转角度一致时，可以在直角处得到明亮的白色；而对于黑色的产生需要在宽光谱范围内强的光吸收，因此使用四个旋转角度相同的不同颜色模块作为一个黑色模块来覆盖可见区域。在负责黑色模块的四个象限中，四个不同的纳米天线的长度分别为80nm、95nm、120nm和140nm。为避免近场等离子体耦合，将140nm和80nm的纳米天线布置在一侧。然后，在正交方向放置另一个基色模块，以形成用于颜色切换的交叉形纳米天线。青色模块正交臂的长度和旋转角度分别为140nm和0°，品红模块为120nm和60°，黄色模块为95nm和120°。同样，三种减色法三原色分别出现在特定的极化角度下，分别为:k＝0°，k＝60°，k＝120°，而在正交角度下可以观察到明显的黑色。

Claims (9)

1.一种动态等离子体像素，其特征在于，该像素基于减色原理，每个像素包括基底和位于基底上的子模块；每个像素包括品红色、黄色和青色三种颜色的子模块，每种颜色的子模块数量为一个或多个，且每个像素是由三种颜色的子模块构成的非对称结构，三种不同颜色的子模块组合在亚波长结构单元内；该像素通过连续变化的0°-180°的偏振角度的入射光产生全范围的颜色；
所述的基底为表面沉积有铝膜层的硅基板，基底是边长为360nm的正方形，所述的位于基底上的子模块包括2个黄色子模块、1个品红色子模块和1个青色子模块，黄色子模块、品红色子模块和青色子模块均为长方体结构；其中两个黄色子模块位于基底的对角处，并关于基底中心成中心对称；品红色子模块和青色子模块分别位于其余两个对角处；假定2个黄色子模块的长边关于旋转轴的旋转角为0°，则品红色子模块的长边关于旋转轴的旋转角为60°，青色子模块的长边关于旋转轴的旋转角为120°。
2.根据权利要求1所述的一种动态等离子体像素，其特征在于，所述的硅基板表面沉积的铝膜层厚度为100nm。
3.根据权利要求1所述的一种动态等离子体像素，其特征在于，所述的黄色子模块的吸收截面均小于品红色子模块和青色子模块的吸收截面。
4.根据权利要求3所述的一种动态等离子体像素，其特征在于，所述的品红色子模块是长度为120nm，宽度为50nm，厚度为60nm的长方体；黄色子模块是长度为95nm，宽度为50nm，厚度为60nm的长方体；青色子模块是长度为140nm，宽度为50nm，厚度为60nm的长方体。
5.根据权利要求4所述的一种动态等离子体像素，其特征在于，所述的位于基底上的子模块均由SiO2膜层和铝膜层组成，其中铝膜层位于SiO2膜层上方，且SiO2膜层和铝膜层的厚度均为30nm。
6.根据权利要求1所述的动态等离子体像素，其特征在于，利用单个所述的子模块或引入黑色模块，将动态色彩调优扩展到非彩色、白色或黑色。
7.权利要求1所述的动态等离子体像素的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1，采用电子束蒸发器将铝膜层沉积在硅基板上；
S2，将电子束抗蚀剂950PMMAA4旋涂在S1获得的铝膜层上，并在180℃条件下烘烤90s；
S3，然后进行电子束光刻，具体条件为：30kV加速电压，360pA束流，100×100μm2的基底模块；
S4，光刻结束后，在0℃的甲基异丁基酮和异丙醇的混合液中浸泡45s，然后使用异丙醇冲洗5s，其中混合液是甲基异丁基酮和异丙醇以体积比为1:3混合制的；
S5，然后采用电子束蒸发器依次沉积30nm的SiO2膜层和30nm的铝膜层；
S6，最后，在60℃的丙酮溶剂中浸泡，取出后使用异丙醇冲洗10s并使用氮气吹干，获得动态等离子体像素。
8.根据权利要求7所述的动态等离子体像素的制备方法，其特征在于，所述的S1和S5中电子束蒸发器沉积条件为：压力为1.2×10-6Torr，沉积速率为1.5A/s。
9.权利要求1所述的动态等离子体像素的调节方法，其特征在于，该调节方法包括以下步骤：
步骤一，通过光学仿真设计相应的模块布局，确定结构的初始尺寸及其对应的初始输出颜色；
步骤二，确定等离子模块像素的颜色调节顺序，通过输出颜色顺序，确定相应的入射波长以及偏振顺序，确定偏振的输出色节。
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