CN113281929B - 一种电致可调的液晶间隙等离子体结构色滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种电致可调的液晶间隙等离子体结构色滤波器，属于微纳光电领域，器件包括金属衬底1，液晶层2，介质层3，金属圆盘4。通过改变金属圆盘的直径和控制液晶的指向角，可以实现对整个可见光光谱的光操纵，显示出不同的颜色。本发明实现了结构色器件加工后的动态调节，能应用在高分辨率彩色显示、结构色印刷、集成光电器件等领域。

Description

一种电致可调的液晶间隙等离子体结构色滤波器
(一)技术领域
本发明涉及结构色显示领域，具体的，涉及一种电致可调的液晶间隙等离子体结构色滤波器。
(二)背景技术
在我们的日常生活中，最常用的化学颜色的材料是染料和颜料。这些材料吸收一部分可见光谱，反射剩余部分形成颜色。染料和颜料凭借其对入射光的偏振态和入射角的不敏感性，在工业生产、日常生活中具有广泛的应用。然而，然而它们存在一定的局限性。例如，它们都具有使用寿命有限，染料和颜料很难用于要求高分辨率的高级彩色显示和光谱成像设备。一旦颗粒尺寸降至微米级以下，它们的光学性能就会极大削减，且对入射光条件极度敏感，进而产生干涉、衍射、散射等光学现象而不具备人为操纵的能力。上述问题要求新的产生颜色的方式需要具有更高的化学稳定性、更低的毒性和更高的分辨率，以满足新的苛刻应用。
传统的化学颜色是在分子的尺度上对光的调控。化学颜色的化学性质不稳定，且易受环境的影响，颜色的效果和保存的时间易受到温度、光照、湿度、自然挥发的影响。而结构色器件是通过自身结构对光产生干涉、衍射、散射的效果。在自然界中随处可见结构色的应用，例如蝴蝶的彩色翅膀、艳丽的蛋彩石等。人类在很多年之前就开始设计制造表面等离激元结构色器件，古罗马时期通过金属和粘土制造的圣杯受到光照后产生绚丽的颜色。结构色器件因为其稳定、环保等特点，在印刷、显示、彩色全息、比色传感器等领域具有广泛的应用前景。
目前，人们利用导模共振、伍德异常、间隙等离子体共振等理，设计制造了比如微纳金属光栅、金属小孔、谐振腔等结构色器件。目前大部分的结构色器件都是依赖于设计结构产生颜色，无法实现颜色的动态调控。这些缺陷限制了结构色器件在具体的生产生活中的运用。
本文设计了一种电致可调的液晶间隙等离子体结构色滤波器，其包括自下而上依次设置的金属衬底、介质层、液晶层、金属圆盘。所提出的器件通过表面等离子体激元、间隙等离子体共振的作用工作，优化结构尺寸、周期，可以实现对于整个可见光谱的操纵。除此之外，通过改变液晶两端电压可以在器件加工完成之后实现动态调控，可以应用在高分辨彩色显示等领域。
(三)发明内容
针对上述问题，本发明主要是提供一种一种电致可调的液晶间隙等离子体结构色滤波器。
本发明的目的是这样实现的：
一种电致可调的液晶间隙等离子体结构色滤波器是一种周期结构，一个周期内自下而上依次包括的金属衬底、介质、液晶、金属圆盘。在金属Al衬底上有SiO2圆柱，在SiO2圆柱周围浸入有液晶，SiO2上刻蚀有金属Al圆盘。一种电致可调的液晶间隙等离子体结构色滤波器一个周期为P，金属衬底的厚度固定为100nm，SiO2和液晶层的厚度为20nm，金属Al圆盘的厚度固定为30nm。D为金属圆盘结构的直径。
研究发现，此结构相较于其他的结构色器件相比，设计简单，通过调节金属圆盘的直径和控制液晶指向角就能实现对于整个光谱的光操纵。相较于其他的金属圆盘结构色器件，一种电致可调的液晶间隙等离子体结构色滤波器在加工完成之后也可以通过在液晶施加不同的电压动态调节滤波器反射的颜色。
(四)附图说明
图1为一种电致可调的液晶间隙等离子体结构色滤波器结构示意图，图2为滤波器ZX方向结构的示意图。
图3为Al金属圆盘直径从70nm～160nm的反射谱。图4是Al金属圆盘直径从70nm～160nm的反射谱所对应的颜色在CIE1931颜色坐标系中所处的位置。
图5为将D固定在80nm时，液晶的指向角
Figure GDA0003160230800000021
为0°～30°的反射谱。
图6为将D固定在100nm时，液晶的指向角
Figure GDA0003160230800000022
为0°～30°的反射谱。
图7为将D固定在120nm时，液晶的指向角
Figure GDA0003160230800000023
为0°～30°的反射谱。
图8为将D分别固定在80nm、90nm、100nm、110nm、120nm，列向液晶的指向角
Figure GDA0003160230800000024
为0°～30°，反射谱所对应的颜色在CIE1931颜色坐标系中所处的位置。
图中标号为：(1)、金属衬底，(2)、液晶层，(3)、介质层SiO2，(4)、金属圆盘。
(五)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，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明是一种电致可调的液晶间隙等离子体结构色滤波器，如图1所示，包括衬底金属层(材料为Al)1，液晶层(材料为E7列向液晶)2，介质层(材料为SiO2)3，金属圆盘(材料为Al)4。
如图2所示，其中衬底金属层1的厚度为H1，液晶层2和介质层的厚度是H2，上层金属圆盘4的厚度为H3，一个周期结构的边长为P，金属圆盘4的直径为D。固定P＝300nm，H1＝100nm，H2＝20nm，H3＝30nm。
如图3所示，随着金属圆盘1直径的增加，反射波谷红移。图4表示不同直径金属圆盘1反射谱对应的颜色在CIE1931色度图中的位置。通过电压调控E7列向液晶，使其有效折射率发生变化，使一种电致可调的液晶间隙等离子体结构色滤波器的吸收峰向蓝光区移动，进而产生不同的颜色。
E7列向液晶2的有效折射率可以通过以下公式来计算：
Figure GDA0003160230800000031
其中
Figure GDA0003160230800000032
为液晶的指向角，在20℃下，no＝1.5217，ne＝1.7472。控制指向角和折射率变化的阈值电压由以下公式来表示：
Figure GDA0003160230800000033
其中，ε0为真空中的介电常数，K11为弹性常数，Vf的值是0.96eV。
图5、6、7分别表示在金属圆盘1直径D为80nm，100nm，120nm时，设置E7列向液晶2的指向角
Figure GDA0003160230800000034
为0°、10°、20°、30°时的反射谱。图8表示金属圆盘1直径D为80nm、90nm、100nm、110nm、120nm、130nm、140nm时，指向角0°～45°时，通过反射谱计算出在CIE1931色度图的位置。
金属圆盘4的材料选用铝，是因为铝在可见光波段展现出良好的等离子体特性且损耗较底，金属铝在生活中常见，而且价格便宜。
本发明的一种电致可调的液晶间隙等离子体结构色滤波器何以达到覆盖整个可见光谱的光操纵，通过改变圆盘直径和液晶指向角就可以实现。本发明的结构色器件具有偏振敏感低，厚度极小的特点。且能在加工完成之后通过外加电压动态调节，能够在高分辨率彩色显示和集成光电器件方面发挥很大的作用。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种电致可调的液晶间隙等离子体结构色滤波器，在一个周期内包括金属衬底( 1)，金属衬底上有液晶层( 2) 和介质层( 3) ，介质层( 3) 上刻蚀有金属圆盘( 4) ，介质层( 3) 周围浸入有液晶层( 2) ，金属衬底( 1) 选择材料为Al，其厚度H1固定为100nm，介质层的材料为SiO2，其厚度H2固定为20nm，液晶层选用E7列向液晶，其厚度H2固定为20nm，金属圆盘选用材料为Al，其厚度H3固定为30nm，金属圆盘的直径为D，一个基本单元的边长为所设计滤波器的周期，其周期P固定为300nm。
2.根据权利要求1所述的一种电致可调的液晶间隙等离子体结构色滤波器，其特征在于：金属圆盘的直径D介于80nm～160nm。
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