CN113013630A - 一种基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面，包括：硅衬底；形成在衬底上的薄膜结构，薄膜结构为椭圆柱纳米结构；以及椭圆柱纳米结构形成椭圆柱纳米结构阵列，用于接收入射光。由介电材料硅衬底及椭圆柱纳米结构阵列在不同的偏振光照射下产生不同的结构色，达到显色的效果。本发明结构色超表面在亚波长范围内具有高分辨，易于制造和与传统半导体工艺兼容，且与化学染料和颜料相比具有环境友好性以及良好的耐久性。
Description
技术领域
本发明涉及超表面技术领域，具体涉及一种基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面及制备方法。
背景技术
超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料。超表面可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。根据面内的结构形式，超表面可以分为两种：一种具有横向亚波长的微细结构，一种为均匀膜层。根据调控的波的种类，超表面可分为光学超表面、声学超表面、机械超表面等。光学超表面是最常见的一种类型，它可以通过亚波长的微结构来调控电磁波的偏振、相位、振幅、频率等特性，是一种结合了光学与纳米科技的新兴技术。目前，基于米氏共振的结构色超表面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。
利用高折射率介质纳米结构作为谐振器，即所谓的“Mie谐振器”，可以精确地操纵电磁波的性质。当入射光被困在纳米结构内时，该谐振器具有一种独特的共振特性，它是由电磁多极同时激发而驱动的。根据纳米结构中被激发的多极的存在，散射方向也可以被调整。这些有趣的特性在周期性的Mie谐振器系统中被观察到。在光照到物体上时，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收。如果物体是透明的，还有一部分透过物体。不同物体，对不同颜色的反射、吸收和透过的情况不同，因此呈现不同的色彩。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对上述问题，本发明提供了一种基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面及制备方法，用于至少部分解决传统化学着色污染大、超表面图案分辨率低等技术问题。
(二)技术方案
本发明一方面提供了一种基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面，包括：硅衬底；形成在衬底上的薄膜结构，薄膜结构为椭圆柱纳米结构；以及椭圆柱纳米结构形成椭圆柱纳米结构阵列，用于接收入射光。
进一步地，还包括：形成在椭圆柱纳米结构上覆盖的一层金属反射层铝。
进一步地，椭圆柱纳米结构阵列呈周期排列，相邻椭圆柱纳米结构在x和y方向的排列周期Px的范围是280纳米至500纳米之间，Py的范围是280纳米至500纳米之间。
进一步地，椭圆柱纳米结构的高度H1介于140纳米至240纳米之间，椭圆柱上面覆盖的金属层铝的厚度H2为30纳米至50纳米之间，椭圆的短轴直径2b于80纳米至240纳米之间，椭圆的长轴直径2a于80纳米至240纳米之间。
进一步地，薄膜结构的材料为硅。
本发明另一方面提供了一种基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面的制备方法，包括：S1，提供衬底；S2，在衬底上形成薄膜结构，薄膜结构为椭圆柱纳米结构；S3，以及椭圆柱纳米结构形成椭圆柱纳米结构阵列，用于接收入射光并选择性反射可见光。
进一步地，S2之后还包括：形成在椭圆柱纳米结构上覆盖的一层金属反射层铝。
进一步地，S2具体包括：电子束光刻使光刻胶图案化，图案为椭圆阵列，椭圆阵列呈周期排列，相邻椭圆结构在x和y方向的排列周期Px的范围是280纳米至500纳米之间，Py的范围是280纳米至500纳米之间；椭圆的短轴直径2b于80纳米至240纳米之间，椭圆的长轴直径2a于80纳米至240纳米之间；刻蚀衬底，去除光刻胶，形成椭圆柱纳米结构阵列，椭圆柱纳米结构的高度H1介于140纳米至240纳米之间。
进一步地，形成金属反射层铝的工艺包括电子束蒸发沉积金属铝，金属铝的厚度范围为30纳米至50纳米之间。
进一步地，薄膜结构的材料为硅。
(三)有益效果
本发明实施例提供的一种基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面及制备方法，与传统的半导体工艺兼容，制造工艺简单；采用椭圆柱周期纳米阵列，不同高度和长短轴的椭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长短轴和高度的椭圆柱周期阵列，满足不同波长情况下的测量。采用椭圆柱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。
附图说明
图1示意性示出了根据本发明实施例基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面的结构示意图；
图2示意性示出了根据本发明实施例结构色超表面中椭圆柱纳米结构阵列的剖面图；
图3示意性示出了根据本发明实施例结构色超表面中椭圆柱纳米结构阵列的俯视图；
图4示意性示出了根据本发明实施例基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面的制备方法的流程示意图；
图5示意性示出了根据本发明实施例结构色超表面形成椭圆柱纳米结构阵列的流程图；
图6示意性示出了根据本发明实施例基于硅-铝纳米结构的结构色超表面的电镜图；
图7示意性示出了根据本发明实施例结构色超表面形成椭圆柱纳米结构阵列的工艺流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、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，对本发明进一步详细说明。
本发明的实施例提供了一种基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面，请参见图1，包括：硅衬底；形成在衬底上的薄膜结构，薄膜结构为椭圆柱纳米结构；以及椭圆柱纳米结构形成椭圆柱纳米结构阵列，用于接收入射光。
该纳米结构至少包括硅衬底及上面的硅薄膜，该薄膜为椭圆柱结构，不同阵列高度或者不同尺寸椭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椭圆柱结构，满足不同波长情况下的测量。
进一步地，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，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高度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。椭圆纳米柱结构由于长轴和短轴的不同，可以在不同的偏振光下产生不同的颜色，相比较于传统的圆柱纳米结构，更加多样化，颜色也更加丰富，饱和度高且色域范围大。
在上述实施例的基础上，还包括：形成在椭圆柱纳米结构上覆盖的一层金属反射层铝。
图2分别为椭圆柱纳米结构阵列的剖面图以及椭圆柱纳米结构上覆盖了一层金属铝的结构阵列剖面图，椭圆柱纳米结构通过覆盖一层金属反射层铝层增强反射，提高反射率。
在上述实施例的基础上，椭圆柱纳米结构阵列呈周期排列，相邻椭圆柱纳米结构在x和y方向的排列周期Px的范围是280纳米至500纳米之间，Py的范围是280纳米至500纳米之间。
图3为椭圆柱纳米结构阵列的俯视图，Px为椭圆最左端到相邻椭圆最左端之间的距离，Py为椭圆最底端到相邻椭圆最底端之间的距离。当波长变得与粒子的空间尺寸相当时，即2R≈λ/n(其中n是纳米材料的折射率，纳米颗粒半径R，λ是光的波长)，粒子内部产生磁共振。椭圆柱纳米结构呈周期排列形成椭圆形柱纳米结构阵列，形成的相邻椭圆柱纳米结构阵列在x和y方向的周期Px的范围是280纳米至500纳米之间，Py的范围是280纳米至500纳米之间。在上述实施例的基础上，椭圆柱纳米结构的高度H1介于140纳米至240纳米之间，椭圆柱上面覆盖的金属层铝的厚度H2为30纳米至50纳米之间，椭圆的短轴直径2b于80纳米至240纳米之间，椭圆的长轴直径2a于80纳米至240纳米之间。
金属层铝的厚度远小于椭圆柱纳米结构的高度，金属层铝的厚度过厚会导致金属层铝与下方的硅柱之间产生耦合，影响硅柱之间的光学响应，出现不希望的峰移。
椭圆的短轴直径、长轴直径在该范围内，固定一个轴不变，随着另一个轴的增大，颜色从粉色到蓝色到绿色到橙色再到红色，当轴增长到一定值后，颜色消失。米氏散射的散射强度与频率的二次方成正比，并且散射在光线向前方向比向后方向更强，方向性比较明显，根据这一理论，采用光学仿真软件FDTD对所涉及的结构进行了计算。
在上述实施例的基础上，薄膜结构的材料为硅。
硅纳米结构支持精细可调的电和磁多极共振，提供低吸收损耗，并受益于成熟的工业制造工艺。
本发明的另一实施例提供了一种基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面的制备方法，请参见图4，包括：S1，提供衬底；S2，在衬底上形成薄膜结构，薄膜结构为椭圆柱纳米结构；S3，以及椭圆柱纳米结构形成椭圆柱纳米结构阵列，用于接收入射光并选择性反射可见光。
具体地，包括S1，提供硅衬底；S2，在硅衬底上，旋涂PMMA胶；采用电子束光刻法在PMMA胶上图案化，曝光显影；S3，刻蚀硅，形成椭圆柱纳米结构阵列，完成基于硅纳米柱的结构色超表面的制备。
在上述实施例的基础上，S2之后还包括：形成在椭圆柱纳米结构上覆盖的一层金属反射层铝。
具体地，请参见图5，包括S1，提供硅衬底；S2，在硅衬底上，旋涂PMMA胶；采用电子束光刻法在PMMA胶上图案化，曝光显影；S3，采用电子束蒸发方法沉积金属铝层；采用湿法去胶方法，剥离图形区域外的金属铝。采用感应耦合等离子(ICP)刻蚀方法以金属铝为掩蔽刻蚀硅，形成硅-铝圆柱纳米结构阵列，完成基于硅纳米柱的结构色超表面的制备。
在上述实施例的基础上，S2具体包括：电子束光刻使光刻胶图案化，图案为椭圆阵列，椭圆阵列呈周期排列，相邻椭圆结构在x和y方向的排列周期Px的范围是280纳米至500纳米之间，Py的范围是280纳米至500纳米之间；椭圆的短轴直径2b于80纳米至240纳米之间，椭圆的长轴直径2a于80纳米至240纳米之间；刻蚀衬底，去除光刻胶，形成椭圆柱纳米结构阵列，椭圆柱纳米结构的高度H1介于140纳米至240纳米之间。
椭圆柱纳米结构呈周期排列形成椭圆形柱纳米结构阵列，形成的相邻椭圆柱纳米结构阵列在x和y方向的周期Px的范围是280纳米至500纳米之间，Py的范围是280纳米至500纳米之间。椭圆的短轴直径、长轴直径在该范围内，固定一个轴不变，随着另一个轴的增大，颜色从粉色到蓝色到绿色到橙色再到红色，当轴增长到一定值后，颜色消失。米氏散射的散射强度与频率的二次方成正比，并且散射在光线向前方向比向后方向更强，方向性比较明显，根据这一理论，采用光学仿真软件FDTD对所涉及的结构进行了计算。
在上述实施例的基础上，形成金属反射层铝的工艺包括电子束蒸发沉积金属铝，金属铝的厚度范围为30纳米至50纳米之间。
金属层铝的厚度远小于椭圆柱纳米结构的高度，金属层铝的厚度过厚会导致不希望的峰移，影响最终色彩呈现。电子束蒸发沉积金属铝具有蒸发速率快、所得结构表面平滑的优点。
在上述实施例的基础上，薄膜结构的材料为硅。
薄膜结构采用硅材料具有成本低、易于制造、与传统的半导体良好兼容的技术效果。
下面以一具体实施例对本发明进行详细描述。
椭圆柱纳米周期结构选择硅为基底。
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椭圆形柱阵列，金属薄膜结构的材料为铝。通过湿法去胶的方法，去掉图形区域内曝光的光刻胶，使用的溶液依次是丙酮、无水乙醇、去离子水，然后用N2吹干。
椭圆柱纳米结构阵列在x和y方向的周期p均固定为300nm。图6为本实施例基于硅-铝纳米结构的结构色超表面的电镜图；图7为本实施例结构色超表面形成椭圆柱纳米结构阵列的工艺流程示意图。
椭圆柱纳米结构的高度H1为147纳米，椭圆柱上面覆盖的金属层铝的厚度H2为固定值50纳米，椭圆的短轴直径2b为98纳米，椭圆的长轴直径2a为179纳米。
综上所述，本发明基于硅-铝纳米结构的高分辨率结构色超表面及其制造方法具有下列有益效果：
(1)本发明实施例的基于硅-铝纳米结构的结构色超表面及其制造方法，通过电子束光刻方法形成椭圆柱周期阵列，精度高；与传统的半导体工艺兼容，易于集成。
(2)采用椭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。
(3)本发明结构色超表面中，不同阵列高度或者不同尺寸椭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椭圆柱结构，满足不同波长情况下的测量。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、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，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面，其特征在于，包括：
硅衬底；
形成在所述衬底上的薄膜结构，所述薄膜结构为椭圆柱纳米结构；
以及所述椭圆柱纳米结构形成椭圆柱纳米结构阵列，用于接收入射光。
2.根据权利要求1所述的基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面，其特征在于，还包括：
形成在所述椭圆柱纳米结构上覆盖的一层金属反射层铝。
3.根据权利要求2所述的基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面，其特征在于，所述椭圆柱纳米结构阵列呈周期排列，相邻所述椭圆柱纳米结构在x和y方向的排列周期Px的范围是280纳米至500纳米之间，Py的范围是280纳米至500纳米之间。
4.根据权利要求3所述的基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面，其特征在于，所述椭圆柱纳米结构的高度H1介于140纳米至240纳米之间，椭圆柱上面覆盖的金属层铝的厚度H2为30纳米至50纳米之间，椭圆的短轴直径2b于80纳米至240纳米之间，椭圆的长轴直径2a于80纳米至240纳米之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面，其特征在于，所述薄膜结构的材料为硅。
6.一种基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面的制备方法，其特征在于，包括：
S1，提供衬底；
S2，在所述衬底上形成薄膜结构，所述薄膜结构为椭圆柱纳米结构；
S3，以及所述椭圆柱纳米结构形成椭圆柱纳米结构阵列，用于接收入射光并选择性反射可见光。
7.根据权利要求6所述的基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面的制备方法，其特征在于，所述S2之后还包括：
形成在所述椭圆柱纳米结构上覆盖的一层金属反射层铝。
8.根据权利要求6所述的基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面的制备方法，其特征在于，所述S2具体包括：
电子束光刻使光刻胶图案化，所述图案为椭圆阵列，所述椭圆阵列呈周期排列，相邻所述椭圆结构在x和y方向的排列周期Px的范围是280纳米至500纳米之间，Py的范围是280纳米至500纳米之间；椭圆的短轴直径2b于80纳米至240纳米之间，椭圆的长轴直径2a于80纳米至240纳米之间；
刻蚀所述衬底，去除所述光刻胶，形成椭圆柱纳米结构阵列，所述椭圆柱纳米结构的高度H1介于140纳米至240纳米之间。
9.根据权利要求7所述的基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面的制备方法，其特征在于，所述形成金属反射层铝的工艺包括电子束蒸发沉积金属铝，所述金属铝的厚度范围为30纳米至50纳米之间。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面的制备方法，其特征在于，所述薄膜结构的材料为硅。
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- 2021-02-18 CN CN202110188254.0A patent/CN113013630A/zh active Pending
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