CN114671402A - 一种实现结构色的纳米结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及结构色超表面技术和显示技术领域，尤其涉及一种实现结构色的纳米结构及其制备方法，该实现结构色的纳米结构，包括：包括：衬底，位于衬底上的手性纳米结构，该手性纳米结构呈周期性阵列排布，该周期性阵列排布的参数为在x方向和y方向的排布周期均为200nm～500nm，以用于在各种观测条件下进行显色，该手性纳米结构具体采用大于预设折射率的介质材料，由于手性纳米结构的偏振转换能力以及材料的性质，可以降低损耗，提高显色分辨率。

Description

一种实现结构色的纳米结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及结构色超表面技术和显示技术领域，尤其涉及一种实现结构色的纳米结构及其制备方法。

背景技术

由于虚拟现实技术的普及，对微型显微器的需求急剧增加，采用亚波长光学谐振器构成的像素来产生颜色和图像引起人们极大的兴趣，而且其与常规染料/颜料相比，这种像素可极大地改善空间分辨率和颜色鲜艳度，并且有着持久的色彩以及对环境友好等优点。

早期基于等离子体纳米结构的像素最常用的材料是金和银，然而金在较低的可见光范围内具有带间跃迁，银虽然适用于整个可见光范围，但是很容易氧化，会破坏颜色的稳定性，且两者的价格昂贵，对于大规模制造而言并不经济。铝虽然成本效率较高，但是铝在可见光谱中显示出比金和银更宽的共振，从而阻碍色彩的纯度和饱和度。最终，所有这些基于金属纳米结构的光学谐振器在可见光谱范围内均显示出明显的欧姆损坏。

因此，如何克服金属纳米结构的损耗实现显色是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的实现结构色的纳米结构及其制备方法。

第一方面，本发明还提供了一种实现结构色的纳米结构，包括：

衬底；

位于所述衬底上的手性纳米结构，所述手性纳米结构呈周期性阵列排布，所述周期性阵列排布的参数为在x方向和y方向的排布周期均为200nm～500nm，以用于在各种观测条件下进行显色，所述手性纳米结构具体采用大于预设折射率的介质材料。

进一步地，所述衬底包括：

二氧化硅衬底；或者

二氧化硅衬底以及在所述二氧化硅衬底上的ITO层。

进一步地，在所述衬底为二氧化硅衬底以及在所述二氧化硅衬底上的ITO层时，所述ITO层的厚度小于或等于100nm。

进一步地，所述各种观测条件包括：无偏振、单偏振以及交叉偏振。

进一步地，所述大于预设折射率的介质材料为如下任意一种：

二氧化钛、氧化铬、氧化铟锡、氮化硅、氧化锆。

进一步地，所述手性纳米结构呈四方晶格排布或者六角晶格排布。

进一步地，单个手性纳米结构具体为如下任意一种：

卍字型、卐字型以及Z字型。

进一步地，单个手性纳米结构的高度为50nm～600nm、沿y方向的长度为100nm～450nm、沿y方向的宽度为30nm～230nm。

进一步地，在改变手性纳米结构的周期性阵列排布参数、以及单个手性纳米结构的高度、沿y方向的长度以及宽度时，实现不同颜色的显示。

第二方面，本发明还提供了一种实现结构色的纳米结构的制备方法，包括：

提供一衬底；

在所述衬底上形成光刻胶；

在所述光刻胶上形成手性纳米结构的图形结构，所述图形结构呈周期性阵列排布，所述周期性阵列排布的参数为在x方向和y方向的排布周期为200nm～500nm，所述手性纳米结构具体采用大于预设折射率的介质材料；

在所述图形结构内形成手性纳米结构；

除去多余的手性纳米结构和剩余的光刻胶。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明提供了一种实现结构色的纳米结构，包括：衬底，位于衬底上的手性纳米结构，该手性纳米结构呈周期性阵列排布，该周期性阵列排布的参数为在x方向和y方向的排布周期均为200nm～300nm，以用于在各种观测条件下进行显色，该手性纳米结构具体采用大于预设折射率的介质材料，由于手性纳米结构的偏振转换能力以及材料的性质，可以降低损耗，提高显色分辨率。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考图形表示相同的部件。在附图中：

图1示出了本发明实施例中实现结构色的纳米结构的俯视图；

图2示出了本发明实施例中实现结构色的纳米结构的侧视图；

图3示出了本发明实施例中六方晶格排布的手性纳米结构的俯视图；

图4示出了本发明实施例中实现结构色的纳米结构显示技术中青色结构色产生的测试与模拟反射谱；

图5示出了本发明实施例中实现结构色的纳米结构的制备方法的步骤流程示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例一

本发明的实施例提供了一种实现结构色的纳米结构，如图1、图2所示，包括：衬底101，位于衬底101上的手性纳米结构102，手性纳米结构102呈周期性阵列排布，该周期性阵列排布啊的参数为在x方向和y反向的排布周期均为200nm～500nm，以用于在各种观测条件下进行显色，手性纳米结构具体采用大于预设折射率的介质材料。

其中，该手性纳米结构102主要是采用大于预设折射率的介质材料，具体可以是大于1.8折射率的介质材料，比如，二氧化钛，其折射率范围为2.3～2.7，这种介质材料与传统的金属相比，其吸收显著降低，其不同于金属纳米结构的光学共振，金属纳米结构的光学振荡是基于传导电子的振荡，而介质纳米结构的光学性质是取决于极化电荷的，具有更低的固有欧姆损耗。尤其是二氧化钛在光学波段的透明特性，其损耗几乎是忽略不计的。利用介质纳米结构中的米氏共振及介质纳米结构阵列的晶格共振的耦合作用，该介质纳米结构能够在可见光范围内产生有效共振，从而产生出结构色。

当然，还可以采用氧化铬、氧化铟锡、氮化硅、氧化锆中的任意一种，在此并不再详细赘述。

同时，该手性纳米结构102具体是手性结构，其中，手性结构具体是没有对称中心、对称面的结构。由于该手性结构没有空间反演中心，无法通过旋转和平移操作与其镜像相重合，因此为结构色的设计提供了更多的自由度，该手性结构的偏振转换能力，可以实现在各种观测下的显色功能。各种观测条件可以是交叉偏振观测、无偏振或者单偏振等等。

首先，对衬底101进行描述，该衬底101包括：二氧化硅衬底；或者二氧化硅衬底以及在二氧化硅衬底上的ITO层。

其中，如图2所示，在该衬底101为二氧化硅衬底1011以及在二氧化硅衬底1011上的ITO层1012时，该ITO层1012的厚度小于或等于100nm。

接下来，对衬底101上的手性纳米结构102进行描述。

该手性纳米结构102呈周期性阵列排布，该周期性阵列排布的参数为在x方向和y方向的排布周期均为200nm～500nm。

该手性纳米结构102具体是采用大于预设折射率的介质材料，该大于预设折射率的介质材料具体为二氧化钛。采用二氧化钛能够降低损耗，进而提高显色的分辨率。

该单个手性纳米结构102具体为如下任意一种：

卍字型、卐字型以及Z字型。其中，该Z字型可以是该卍字型或者卐字型的一半，比如，如图1所示的结构。

其中，该卍字型具体是包括呈十字型纳米结构以及位于十字型纳米结构的突出部位端均朝向一个方向的垂直纳米结构，该垂直纳米结构的排布方向均与十字型纳米结构的方向垂直，在垂直纳米结构均朝向逆时针方向时，则为卍字型，在垂直纳米结构均朝向顺时针方向时，则为卐字型。

该手性纳米结构102呈周期性阵列排布，具体可以是四方晶格排布或者六角晶格排布。其中，四方晶格排布具体是按照常规的矩阵排布，六角晶格排布具体是相邻排之间相互错开的方式。

具体以Z字型为例，如图1所示的阵列排布方式是四方晶格排布方式，如图3所示的阵列排布方式是六角晶格排布方式。

该单个手性纳米结构的高度为50nm～600nm、沿y方向的长度为100nm～450nm，沿y方向的宽度为30nm～230nm。其中，相邻的手性纳米结构之间的间隙为50nm～400nm。

具体如图1所示，以Z字型为例，该Z字型的手性纳米结构沿y方向的长度L示意，沿y方向的宽度h示意。

该手性纳米结构的排布周期、以及单个手性纳米结构的高度、沿y方向的长度以及宽度是可以变化的，在改变手性纳米结构的排布周期、以及单个手性纳米结构的高度、沿y方向的长度以及宽度时，可显示不同颜色。

如图4所示，为青色结构色产生的测试与模拟反射谱，其中，对应的手性纳米结构的高度h为100nm，周期P为260nm，沿y方向的长度L为182nm，沿y方向的宽度W为55纳米。从反射谱的峰值均产生在440nm附近，其中共振峰的产生是由周期结构的手性纳米结构共振与单个手性纳米结构的米氏共振耦合产生的，周期结构的手性纳米结构共振占主导地位。在交叉偏振情况下产生共振峰表面，该手性结构具有良好的偏振转换功能。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明提供了一种实现结构色的纳米结构，包括：衬底，位于衬底上的手性纳米结构，该手性纳米结构呈周期性阵列排布，该周期性阵列排布的参数为在x方向和y方向的排布周期均为200nm～500nm，以用于在无偏振、单偏振以及交叉偏振观测条件下进行显色，由于手性纳米结构的偏振转换能力以及材料的性质，一方面可以降低损耗，另一方面可以在各种偏振情况下实现结构色的显示。

实施例二

基于相同的发明构思，本发明提供了一种实现结构色的纳米结构的制备方法，如图5所示，包括：

S501，提供一衬底；

S502，在衬底上形成光刻胶；

S503，在光刻胶上形成手性纳米结构的图形结构，该图形结构呈周期性阵列排布，周期性阵列排布的参数为在x方向和y方向的排布周期均为200nm～500nm；

S504，在图形结构内形成手性纳米结构；

S505，除去多余的手性纳米结构和剩余的光刻胶。

在提供一衬底之后，在S502中，具体是在衬底上旋涂PMMA胶，然后，在S503中，在光刻胶上形成手性纳米结构的图形结构，具体是采用电子束光刻曝光显影，将预设图形转移到PMMA胶上，由此，形成该手性纳米结构的图形结构，该图形结构呈周期性阵列排布，具体是在x方向和y方向的排布周期均为200nm～500nm。

其中，电子束的电压为100Kv，电流为200pA，电子计量900μC/cm²；在电子束光刻胶上曝光手性纳米结构的图形结构。手性纳米结构的长度L约182nm。宽度W为55nm，周期为260nm。

接着，S504中，采用原子层沉积法沉积二氧化钛，将该图形结构填满，沉积的厚度至少为W/2，即形成手性纳米结构，二氧化钛在图形结构的底部侧壁均生长，因此，会覆盖在PMMA胶表面。因此，在执行S505时，去除顶部多余的二氧化钛和剩余的光刻胶，具体是刻蚀位于PMMA胶上的二氧化钛，最后将多余的光刻胶即PMMA胶也去除。

在刻蚀二氧化钛的手性纳米结构时，通过感应耦合等离子刻蚀的方法，刻蚀厚度为W，刻蚀使用的工艺气体是3sccm氩气，10sccm六氟化硫，工作气压800Pa，功率300W，刻蚀50s。

在去胶时，具体是采用湿法去胶的方式，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。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种实现结构色的纳米结构，其特征在于，包括：

衬底；

位于所述衬底上的手性纳米结构，所述手性纳米结构呈周期性阵列排布，所述周期性阵列排布的参数为在x方向和y方向的排布周期均为200nm～500nm，以用于在各种观测条件下进行显色，所述手性纳米结构具体采用大于预设折射率的介质材料。

2.如权利要求1所述的纳米结构，其特征在于，所述衬底包括：

二氧化硅衬底；或者

二氧化硅衬底以及在所述二氧化硅衬底上的ITO层。

3.如权利要求2所述的纳米结构，其特征在于，在所述衬底为二氧化硅衬底以及在所述二氧化硅衬底上的ITO层时，所述ITO层的厚度小于或等于100nm。

4.如权利要求1所述的纳米结构，其特征在于，所述各种观测条件包括：无偏振、单偏振以及交叉偏振。

5.如权利要求1所述的纳米结构，其特征在于，所述大于预设折射率的介质材料为如下任意一种：

二氧化钛、氧化铬、氧化铟锡、氮化硅、氧化锆。

6.如权利要求1所述的纳米结构，其特征在于，所述手性纳米结构呈四方晶格排布或者六方晶格排布。

7.如权利要求1所述的纳米结构，其特征在于，单个手性纳米结构具体为如下任意一种：

卍字型、卐字型以及Z字型。

8.如权利要求1所述的纳米结构，其特征在于，单个手性纳米结构的高度为50nm～600nm、沿y方向的长度为100nm～450nm、沿y方向的宽度为30nm～230nm。

9.如权利要求8所述的纳米结构，其特征在于，在改变手性纳米结构的周期性阵列排布参数、以及单个手性纳米结构的高度、沿y方向的长度以及宽度时，实现不同颜色的显示。

10.一种实现结构色的纳米结构的制备方法，其特征在于，包括：

提供一衬底；

在所述衬底上形成光刻胶；

在所述光刻胶上形成手性纳米结构的图形结构，所述图形结构呈周期性阵列排布，所述周期性阵列排布的参数为在x方向和y方向的排布周期为200nm～500nm，所述手性纳米结构具体采用大于预设折射率的介质材料；

在所述图形结构内形成手性纳米结构；

除去多余的手性纳米结构和剩余的光刻胶。

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