CN110658581B - 一种滤色器、纳米滤色晶体以及涂料 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及多层薄膜结构技术领域，具体公开了一种滤色器，该滤色器包括：依次层叠设置的反射层、介电层、光吸收层以及抗反射层；其中，光吸收层的厚度小于等于
其中，n为光吸收层的折射率，λc为峰值反射波长，峰值反射波长的范围在400nm至800nm之间。通过上述方式，本申请能够显著提高所需反射色的颜色纯度。
Description
技术领域
本申请涉及多层薄膜结构技术领域，特别是涉及一种滤色器、纳米滤色晶体以及涂料。
背景技术
近年来，基于光与纳米结构相互作用产生的结构色因其在彩色印刷、显示/成像、光学装饰、太阳能电池等领域的潜在应用而受到越来越多的关注。相比于现有的利用化学着色颜料或有机染料的滤色器，结构型滤色器具有无毒、不褪色、厚度薄、可扩展性强、分辨率高、易于调谐等独特优势。目前，已有大量研究工作讨论了利用亚波长纳米结构中激发的表面等离激元共振、Mie共振或导模共振(GMR)来产生结构色。通过调节金属或全介质纳米结构的结构参数(形状、尺寸、周期、高度等)可获得许多实际应用中所需要的宽色域。
然而，本申请的发明人在长期的研发过程中，发现由于金属的固有损耗，表面等离激元颜色表现出较低的品质因子和强度，使得颜色的纯度和亮度都很低。虽然GMR和Mie共振可产生具有较高纯度的颜色，其半峰宽(FWHM)分别可达12nm和30nm，但由于动量匹配条件，它们输出的颜色高度依赖于入射光的角度和偏振状态。更重要的是，这些滤色器的结构往往非常复杂，其加工制造必须涉及昂贵且复杂的光刻工艺，从而限制了其大规模应用。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种滤色器、纳米滤色晶体以及涂料，能够显著提高所需反射色的颜色纯度。
一方面，本申请提供了一种滤色器，该滤色器包括：依次层叠设置的反射层、介电层、光吸收层以及抗反射层；其中，光吸收层的厚度小于等于
其中，n为光吸收层的折射率，λc为峰值反射波长，峰值反射波长的范围在400nm至800nm之间。
其中，波长为峰值反射波长λc的第一光线在光吸收层的电场强度E(λc)趋近于零。
其中，光吸收层包括第一材料或第二材料中的至少一种；第一材料不同于第二材料。
其中，第一材料和第二材料选自金属、混合金属或者半导体中的至少一种。
其中，金属选自钛、铜、铬、钽、钨、钼、铌、钴、镍、钯、金、铝、铂、银或钒；混合金属选自钛、铜、铬、钽、钨、钼、铌、钴、镍、钯、金、铝、铂、银或钒中的至少两种；半导体选自硅、锗、II-VI族化合物半导体或III-V族化合物半导体中的至少一种。
其中，光吸收层包括第一吸收层和第二吸收层，第一吸收层的材料不同于第二吸收层的材料。
其中，光吸收层的等效介电常数εeff为
其中，t1和t2分别为第一吸收层和第二吸收层的厚度；ε1和ε2分别为第一吸收层和第二吸收层的介电常数。
其中，第一吸收层的厚度t1为1nm至30nm；
第二吸收层的厚度t2为1nm至35nm；
第一吸收层和第二吸收层的材料选自金属、混合金属或者半导体中的至少一种。
其中，金属选自钛、铜、铬、钽、钨、钼、铌、钴、镍、钯、金、铝、铂、银或钒；混合金属选自钛、铜、铬、钽、钨、钼、铌、钴、镍、钯、金、铝、铂、银或钒中的至少两种；半导体选自硅、锗、II-VI族化合物半导体或III-V族化合物半导体中的至少一种。
其中，反射层的厚度为50nm至150nm；反射层的材料为金属或混合金属；金属选自铝、铜、金、铂、铬、镍或银；混合金属选自钛、铜、铬、钽、钨、钼、铌、钴、镍、钯、金、铝、铂、银或钒中的至少两种。
其中，介电层的厚度为
其中，n4为介电层的折射率，λc为峰值反射波长，峰值反射波长的范围在400nm至800nm之间；
介电层的材料选自氧化物、氮化物或硫化物中的至少一种。
其中，介电层的材料选自铌钛氧化物、二氧化硅、氮氧化硅、铝氧化物、二氧化钛、五氧化二铌、五氧化二钽、氧化锆、氧化钇、二氧化铪、氮化硅、硒化锌、钨氧化物或硫化锌中的至少一种。
其中，介电层的折射率大于等于2.0，以保证反射峰与角度不敏感。
其中，抗反射层的厚度为
其中，n2为抗反射层的折射率，λ0为反射被抑制的目标波长，反射被抑制的目标波长的范围在400nm至800nm之间。
其中，抗反射层的折射率大于等于2.0；抗反射层的材料选自氧化物、氮化物或硫化物中的至少一种。
其中，抗反射层的材料选自铌钛氧化物、二氧化硅、氮氧化硅、铝氧化物、二氧化钛、五氧化二铌、五氧化二钽、氧化锆、氧化钇、二氧化铪、氮化硅、硒化锌、钨氧化物或硫化锌中的至少一种。
其中，滤色器还包括：谐振腔，设置在抗反射层远离光吸收层的一侧，谐振腔用于降低波长在峰值反射波长之外的光线的反射。
其中，滤色器包括对应于子像素的蓝色滤色器、绿色滤色器以及红色滤色器；
在蓝色滤色器中，反射层的厚度为50-150nm，第一吸收层的厚度为5-15nm，第二吸收层的厚度为5-15nm，介电层的厚度为70-90nm，抗反射层的厚度为55-75nm；
在绿色滤色器中，反射层的厚度为50-150nm，第一吸收层的厚度为10-20nm，第二吸收层的厚度为5-15nm，介电层的厚度为210-240nm，抗反射层的厚度为20-40nm；
或者，在绿色滤色器中，反射层的厚度为50-150nm，第一吸收层的厚度为5-15nm，第二吸收层的厚度为5-15nm，介电层的厚度为220-250nm，抗反射层的厚度为20-40nm；
在红色滤色器中，反射层的厚度为50-150nm，第一吸收层的厚度为5-15nm，第二吸收层的厚度为5-15nm，介电层的厚度为120-140nm，抗反射层的厚度为30-50nm。
其中，在蓝色滤色器中，反射层为铝层，反射层的厚度为100nm，第一吸收层为镍层，第二吸收层为钨层，第一吸收层的厚度为8nm，第二吸收层的厚度为8nm，介电层为五氧化二钽层，介电层的厚度为80nm，抗反射层为五氧化二钽层，抗反射层的厚度为68nm；
在绿色滤色器中，反射层为铝层，反射层的厚度为100nm，第一吸收层为金层，第二吸收层为镍层，第一吸收层的厚度为14nm，第二吸收层的厚度为6nm，介电层为五氧化二钽层，介电层的厚度为228nm，抗反射层为五氧化二钽层，抗反射层的厚度为26nm；
或者，在绿色滤色器中，反射层为铝层，反射层的厚度为100nm，第一吸收层为钛层，第二吸收层为铜层，第一吸收层的厚度为7nm，第二吸收层的厚度为9nm，介电层为二氧化钛层，介电层的厚度为232nm，抗反射层为二氧化钛层，抗反射层的厚度为26nm；
在红色滤色器中，反射层为铝层，反射层的厚度为100nm，第一吸收层为钨层，第二吸收层为锗层，第一吸收层的厚度为8nm，第二吸收层的厚度为8nm，介电层为五氧化二钽层，介电层的厚度为130nm，抗反射层为五氧化二钽层，抗反射层的厚度为44nm。
其中，滤色器还包括：有机染料层；有机染料层设置在光吸收层和介电层之间，或者有机染料层设置在光吸收层和抗反射层之间。
其中，滤色器包括蓝色滤色器；在蓝色滤色器中，反射层为铝层，反射层的厚度为50-150nm，光吸收层为镍层，光吸收层的厚度为10-20nm，介电层为二氧化钛层，介电层的厚度为45-70nm，有机染料层为二苯并咪唑层，有机染料层的厚度为15-45nm，抗反射层为二氧化钛层，抗反射层的厚度为50-70nm。
另一方面，本申请提供了一种滤色器，该滤色器包括：依次层叠设置的第一抗反射层、第一光吸收层、第一介电层、反射层、第二介电层、第二光吸收层以及第二抗反射层；其中，第一抗反射层、第一光吸收层、第一介电层组成第一滤色层，第二介电层、第二光吸收层以及第二抗反射层组成第二滤色层，第一滤色层和第二滤色层对称设置在反射层两侧表面上。
其中，第一抗反射层、第二抗反射层的材料选自氧化物、氮化物或硫化物中的至少一种；第一光吸收层、第二光吸收层的材料选自金属、混合金属或者半导体中的至少一种；第一介电层、第二介电层的材料选自氧化物、氮化物或硫化物中的至少一种；反射层的材料选自铝、铜、金或银中的至少一种。
又一方面，本申请提供了一种纳米滤色晶体，纳米滤色晶体为如上述的滤色器的碎片，每一纳米滤色晶体的总层数与滤色器的总层数相同，每一纳米滤色晶体的光学性质与滤色器的光学性质相同；每一纳米滤色晶体的颗粒尺寸为3μm-50μm。
再一方面，本申请提供了一种涂料，该涂料包括基础溶剂以及如上述纳米滤色晶体；涂料形成的涂层用于反射波长范围在400nm至800nm之间光线。
本申请的有益效果是：区别于现有技术的情况，本申请公开了一种滤色器，该滤色器包括由依次层叠设置的反射层、介电层、光吸收层以及抗反射层，通过调控光吸收层的厚度小于等于
以避免在峰值反射波长λc处的本征吸收，从而波长为峰值反射波长λc的光线在光吸收层的电场强度可近似为常数，进而当光吸收层的厚度小于等于
时，可以保证目标颜色所处波长范围内的高反射率；通过构建合适的双层光吸收层以满足理想吸收层的复合折射率，可增强在偏离峰值反射波长λc的光线的光吸收，以产生具有高纯度和高亮度的反射色，从而显著提高所需反射色的颜色纯度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1是本申请一实施例的滤色器的结构示意图；
图2是本申请另一实施例的滤色器的结构示意图；
图3是本申请又一实施例的滤色器的结构示意图；
图4是本申请再一实施例的滤色器的结构示意图；
图5是本申请再一实施例的滤色器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
参阅图1，本申请提供了一种滤色器100，滤色器100包括：依次层叠设置的反射层104、介电层103、光吸收层102以及抗反射层101；其中，光吸收层102的厚度小于等于
其中，n为光吸收层102的折射率，λc为峰值反射波长，峰值反射波长的范围在400nm至800nm之间。
具体地，本实施例提出了在介质-吸收体-介质-金属(Dielectric-Absorption-Dielectric-Metal，DADM)滤色器100结构中获得高纯度的RGB反射色的功能层的材料以及本申请提出了一个一般的指导原则。
如图1所示，该滤色器100是一个典型的非对称F-P谐振腔，该非对称F-P谐振腔结构的物理原理如下：顶层介质层与中间介质层中发生强干涉效应，强干涉效应会导致入射光在峰值反射波长处发生选择性反射，以及光吸收层102在非峰值反射波长处有很强的光吸收。反射层104用于提供高反射，进而阻止光线的传输，因此，反射层104可以为在整个可见光范围内具有高反射率且足够厚的金属层，因此，反射层104可以选择铝、银或银合金。
需要注意的是，为了获得高纯度反射色，理想的反射光谱应在目标颜色所处波长范围内具有高反射率，同时在可见光波段的其他波长处表现为完美吸收。光吸收层102对波长λ的入射光的吸光度A具体为：
其中c为光速，ε0为自由空间介电常数，E(z,λ)为波长λ的入射光在光吸收层102中的电场强度，n和k分别为光吸收层102的折射率和消光系数。
光吸收层102的材料和厚度选择是设计理想反射色的关键。首先，光吸收层102的厚度d应远小于入射波长，以避免在λc处的本征吸收，从而光吸收层102中的电场强度可近似为常数。因此，峰值反射波长λc在抗反射层101-光吸收层102界面的电场强度和光吸收层102-介电层103界面的电场强度均可趋近于零，而在λc处获得高反射率吸收层应位于E(λc)趋近于零的位置。根据这两个条件，我们可以推导出光吸收层102的厚度可以小于等于
其中n为光吸收层102的折射率。需要注意的是，光吸收层102的厚度不能太小，否则在非峰值反射波长处的吸收效率将会降低，因此，当光吸收层102厚度小于等于
时，可以保证目标颜色所处波长范围内的高反射率。为了在非峰值反射波长处实现完美吸收，当其它功能层的厚度和材料已知时，可以计算出在垂直入射时理想的光吸收层102的复合折射率。
区别于现有技术的情况，本实施例公开了一种滤色器100，该滤色器100包括由依次层叠设置的反射层104、介电层103、光吸收层102以及抗反射层101，通过调控光吸收层102的厚度小于等于
以避免在峰值反射波长λc处的本征吸收，从而波长为峰值反射波长λc的光线在光吸收层102的电场强度可近似为常数，进而当光吸收层102的厚度小于等于
时，可以保证目标颜色所处波长范围内的高反射率；通过构建合适的双层光吸收层102以满足理想吸收层的复合折射率，可增强在偏离峰值反射波长λc的光线的光吸收，以产生具有高纯度和高亮度的反射色，从而显著提高所需反射色的颜色纯度。
进一步地，本申请提出了获得高纯度反射型滤色器100的两条设计原则：一是将光吸收层102放置在E(λc)趋近于零的位置，以保证目标颜色波长范围内的高反射率；二是在其他波长处，利用由两层结构的光吸收层102作为光吸收层102，以获得零反射率。
其中，波长为峰值反射波长λc的第一光线在光吸收层102的电场强度E(λc)趋近于零。
其中，上述光吸收层102可以包括第一材料或第二材料中的至少一种，需要注意的是，第一材料不同于第二材料。
上述第一材料和第二材料选自金属、混合金属或者半导体中的至少一种。金属选自钛、铜、铬、钽、钨、钼、铌、钴、镍、钯、金、铝、铂、银或钒；混合金属选自钛、铜、铬、钽、钨、钼、铌、钴、镍、钯、金、铝、铂、银或钒中的至少两种；半导体选自硅、锗、II-VI族化合物半导体或III-V族化合物半导体中的至少一种。
参阅图2，其中，两层结构的光吸收层102可以包括第一吸收层121和第二吸收层122，第一吸收层121的材料不同于第二吸收层122的材料。需要注意的是，除了上述包含第一吸收层121和第二吸收层122的双层光吸收层102结构，也可采用包含两种金属的合金作为光吸收层102的材料。
具体地，本实施例设计了一种由两层结构的光吸收层102组成的光吸收层102，以满足理想光吸收层102的复合折射率，增强非目标颜色所处波长范围内的光吸收，从而产生具有高反射率的高饱和度颜色。这一策略为提高滤色器100反射色的颜色纯度提供了额外的自由度，并为选择多种材料组合提供了很大的灵活性。
其中，上述第一吸收层121的厚度t1为1nm至30nm(例如1nm、6nm、8nm、14nm、16nm、18nm、24nm、或30nm)，第二吸收介质层122的厚度t2为1nm至35nm(例如1nm、6nm、8nm、14nm、16nm、18nm、24nm、30nm或35nm)。第一吸收层121和第二吸收层122的材料选自金属、混合金属或者半导体中的至少一种。
其中，上述金属选自钛、铜、铬、钽、钨、钼、铌、钴、镍、钯、金、铝、铂、银或钒；混合金属选自钛、铜、铬、钽、钨、钼、铌、钴、镍、钯、金、铝、铂、银或钒中的至少两种；半导体选自硅、锗、II-VI族化合物半导体或III-V族化合物半导体中的至少一种。
在一实施例中，光吸收层102的等效介电常数εeff为
具体地，光吸收层102的有效折射率n和消光系数k可通过两层结构的光吸收层102的等效介电常数εeff的简化解析表达式导出，即
其中，t1和t2分别为第一吸收层121和第二吸收层122的厚度；ε1和ε2分别为第一吸收层121和第二吸收层122的介电常数。
基于第一吸收层121和第二吸收层122的滤色器100的结构示意图如图2所示。在滤色器100结构中，第一吸收层121和第二吸收层122的组合可以看作是总厚度为d、有效复合折射率为(n，k)的光吸收层102。
在一实施例中，反射层104的厚度为50nm至150nm，反射层104的材料为金属或混合金属。其中，金属可以选自铝、铜、金、铂、铬、镍或银；混合金属可以选自钛、铜、铬、钽、钨、钼、铌、钴、镍、钯、金、铝、铂、银或钒中的至少两种。
在一实施例中，介电层103的厚度为
其中，n4为介电层103的折射率，λc为峰值反射波长，峰值反射波长的范围在400nm至800nm之间；介电层103的折射率大于等于2.0，介电层103的材料选自铌钛氧化物、二氧化硅、氮氧化硅、铝氧化物、二氧化钛、五氧化二铌、五氧化二钽、氧化锆、氧化钇、二氧化铪、氮化硅、硒化锌、钨氧化物或硫化锌中的至少一种。
在一实施例中，波长为峰值反射波长λc的第二光线在介电层103的电场强度E(λc)趋近于零。
在一实施例中，抗反射层101的厚度为
其中，n2为介电层103的折射率，λ0为反射被抑制的目标波长，反射被抑制的目标波长的范围在400nm至800nm之间；
抗反射层101的折射率大于等于2.0，抗反射层101的材料选自氧化物、氮化物或硫化物中的至少一种。
进一步地，抗反射层101的材料选自铌钛氧化物、二氧化硅、氮氧化硅、铝氧化物、二氧化钛、五氧化二铌、五氧化二钽、氧化锆、氧化钇、二氧化铪、氮化硅、硒化锌、钨氧化物或硫化锌中的至少一种。
在一实施例中，滤色器100还包括：谐振腔，设置在抗反射层101远离光吸收层102的一侧，谐振腔用于降低波长在峰值反射波长之外的光线的反射。
本申请通过设计合适的反射层104、介电层103、光吸收层102以及抗反射层101的厚度和材料，可以实现具有高纯度、高亮度及良好的角度不敏感特性的RGB滤色器100，每种颜色滤色器100的详细结构参数见表1。
表1 RGB滤色器的结构参数
其中，滤色器100包括对应于子像素的蓝色滤色器、绿色滤色器以及红色滤色器。
在蓝色滤色器中，反射层的厚度为50-150nm(例如50nm、100nm或150nm)，第一吸收层的厚度为5-15nm(例如5nm、10nm或15nm)，第二吸收层的厚度为5-15nm(例如5nm、10nm或15nm)，介电层的厚度为70-90nm(例如70nm、80nm或90nm)，抗反射层的厚度为55-75nm(例如55nm、65nm或75nm)。
在绿色滤色器中，反射层的厚度为50-150nm(例如50nm、100nm或150nm)，第一吸收层的厚度为10-20nm(例如10nm、15nm或20nm)，第二吸收层的厚度为5-15nm(例如5nm、10nm或15nm)，介电层的厚度为210-240nm(例如210nm、225nm或240nm)，抗反射层的厚度为20-40nm(例如20nm、30nm或40nm)。
或者，在绿色滤色器中，反射层的厚度为50-150nm(例如50nm、100nm或150nm)，第一吸收层的厚度为5-15nm(例如5nm、10nm或15nm)，第二吸收层的厚度为5-15nm(例如5nm、10nm或15nm)，介电层的厚度为220-250nm(例如220nm、235nm或250nm)，抗反射层的厚度为20-40nm(例如20nm、30nm或40nm)。
在红色滤色器中，反射层的厚度为50-150nm(例如50nm、100nm或150nm)，第一吸收层的厚度为5-15nm(例如5nm、10nm或15nm)，第二吸收层的厚度为5-15nm(例如5nm、10nm或15nm)，介电层的厚度为120-140nm(例如120nm、130nm或140nm)，抗反射层的厚度为30-50nm(例如30nm、40nm或50nm)。
优选地，在蓝色滤色器中，反射层为铝层，反射层的厚度为100nm，第一吸收层为镍层，第二吸收层为钨层，第一吸收层的厚度为8nm，第二吸收层的厚度为8nm，介电层为五氧化二钽层，介电层的厚度为80nm，抗反射层为五氧化二钽层，抗反射层的厚度为68nm；
在绿色滤色器中，反射层为铝层，反射层的厚度为100nm，第一吸收层为金层，第二吸收层为镍层，第一吸收层的厚度为14nm，第二吸收层的厚度为6nm，介电层为五氧化二钽层，介电层的厚度为228nm，抗反射层为五氧化二钽层，抗反射层的厚度为26nm；
或者，在绿色滤色器中，反射层为铝层，反射层的厚度为100nm，第一吸收层为钛层，第二吸收层为铜层，第一吸收层的厚度为7nm，第二吸收层的厚度为9nm，介电层为二氧化钛层，介电层的厚度为232nm，抗反射层为二氧化钛层，抗反射层的厚度为26nm；
在红色滤色器中，反射层为铝层，反射层的厚度为100nm，第一吸收层为钨层，第二吸收层为锗层，第一吸收层的厚度为8nm，第二吸收层的厚度为8nm，介电层为五氧化二钽层，介电层的厚度为130nm，抗反射层为五氧化二钽层，抗反射层的厚度为44nm。
具体地，为了进一步理解本申请滤色器100中强干涉效应的机理，本申请计算了3种RGB滤色器100的整个结构内电场强度分布随波长的变化关系。
以蓝色滤色器为例，在波长大于500nm的镍/钨光吸收层102中激发的强电场直接导致了超过蓝色波段的有效光吸收。在波长小于500nm的短波长范围内，镍/钨光吸收层102中的电场强度非常微弱，保证了蓝光波段的吸收损耗最小。同样，在非目标颜色的波长范围内，也可在绿色滤色器和红色滤色器的光吸收层102中观察到电场增强。同时，可以通过上述三种滤色器100在不同波长处顶层五氧化二钽和中间层五氧化二钽谐振腔中的净相移来揭示共振位置。本质上，当净相移(包含上下界面反射产生的两个反射相位以及腔内累积的传播相位)等于2π的整数倍时腔内激发共振模式时，蓝色滤色器和红色滤色器的介电层103分别在460nm和621nm波长处激发出一阶F-P腔共振模式，而绿色滤色器的介电层103则在568nm波长处激发出二阶F-P腔共振模式，导致绿色滤色器的反射光谱的带宽较窄。很明显，在这三个滤色器100中，F-P腔共振波长与介电层103中的局域电场的位置非常匹配。在635nm波长处，抗反射层101的净相移等于0，抗反射层101共振模式被激发，且共振波长与蓝色滤色器的反射谷完全对应。显然，抗反射层101共振是吸收层内电场在非目标波长范围内增强的直接原因，抑制了非峰值波长的反射。对于绿色滤色器，两个邻近的抗反射层101共振模式(即418nm和464nm波长处)在抗反射层101中被激发。这两个共振重叠在一起，导致了一个在450nm波长处的完美吸收峰。对于红色滤色器，抗反射层101共振在418nm和538nm波长处被激发，与反射光谱中两个反射谷的位置相吻合。
为了进一步验证抗反射层101共振导致的在非峰值波长范围内的强吸收特性，对上述3种滤色器100在吸收峰波长处的光学导纳进行研究。光学导纳
是阻抗的倒数，其中ε和μ分别代表介电常数和磁导率。由于大多数材料的相对磁导率在光学频段为1，所以光学导纳在数值上等于材料的复合折射率。整个结构的光学导纳从硅衬底开始，并根据材料的厚度和光学常数以圆形或螺旋形轨迹旋转。层状滤色器100结构终端导纳点与空气导纳(1,0)之间的距离决定了反射强度：
其中，x和y是导纳终端的实部和虚部。对于蓝、绿、红三种滤色器100，在相应吸收峰波长处的最终导纳坐标分别为(1.14，-0.03)，(0.95，0.08)和(1.01，-0.12)。这些导纳点非常接近空气的导纳点，导致发射率被抑制在1％以下。
为了验证基于超薄双层吸收介质的RGB滤色器100的角度依赖特性，本申请模拟和测量了它们在非偏振光照明下的角分辨反射光谱。结果表明，三种颜色的模拟结果与相应的实验结果基本一致，尽管入射角从0°增加到60°时，谐振波长有轻微的蓝移，但色散曲线相对平坦。在不同入射角下，稳定的颜色外观和相近的颜色坐标证明了蓝、红两种颜色的角度不敏感性可达±60°。由于绿色滤色器中使用的五氧化二钽介电层103较厚，其角度不变的外观只能维持在±45°。值得注意的是，本申请提出的DADM滤色器100可通过采用具有更高折射率的介电材料(例如硫化锌，折射率为2.6)代替五氧化二钽作为介电层103或添加额外的相位补偿层，来进一步改善DADM滤色器100的角度不敏感性。
本申请从理论和实验上展示了通过调节介质层的厚度和选择不同的双层吸收体可以获得高饱和度的RGB反射色。此外，由于所使用材料具有较高的折射率，这些滤色器100具有很好的角度不敏感性(蓝色和红色可达±60°，绿色可达±45°)。本申请提出的高反射率RGB颜色具有优异的性能和较低的制作成本，使其在装饰、彩色显示/成像、发光二极管(LED)等领域具有广阔的应用前景。
参阅图3和图4，在一实施例中，滤色器100还包括：有机染料层105，设置在光吸收层102和介电层103之间，或者有机染料层105设置在光吸收层102和抗反射层101之间。
在一实施例中，滤色器100包括蓝色滤色器；在蓝色滤色器中，反射层104为铝层，反射层104的厚度为50-150nm(例如50nm、100nm或150nm)，光吸收层102为镍层，光吸收层102的厚度为10-20nm(例如10nm、15nm或20nm)，介电层103为二氧化钛层，介电层103的厚度为45-70nm(45nm、55nm或70nm)，有机染料层105为二苯并咪唑层，有机染料层105的厚度为15-45nm(15nm、30nm或45nm)，抗反射层101为二氧化钛层，抗反射层101的厚度为50-70nm(50nm、60nm或70nm)。
具体地，在普遍的DADM结构中，由于在非目标波长范围内的吸收不足，很难产生高纯度的反射色。为了提高反射型滤色器的颜色纯度，除了采用前面提到的采用金属-金属或金属-半导体双层吸收介质作为理想吸收剂的方法外，还可以采用金属-有机染料组成的复合吸收剂来实现高纯度的反射色。有机染料的颜色外观与其消光系数直接相关，例如蓝色有机染料在蓝色波段的损耗很小，而在长波长范围内损耗较大。在金属吸收层周围引入额外的有机染料吸收层，利用这种法布里-珀罗腔结构中的强共振效应，在非目标颜色波长范围内的光吸收可通过有机染料进一步增强，从而极大地提高目标颜色滤色器的颜色纯度且对目标颜色波段的高反射影响较小。采用金属-有机染料复合吸收剂的一大优势是该方法不需要寻找合适的吸收介质来构建满足理想吸收层的复合折射率，只需添加颜色外观表现为目标颜色滤色器的有机染料就可进一步提高目标颜色滤色器的颜色纯度，为获得高纯度薄膜反射色提供了更为简便的途径。
以蓝色反射型滤色器的设计为例，分别采用厚度为15nm的镍层和100nm厚的铝层作为光吸收层和反射层；中间层二氧化钛的厚度固定在83nm，对应于波长为460nm(反射蓝色)的半波长光学厚度；顶部抗反射层二氧化钛的厚度固定为60nm，对应于波长为540nm(抑制绿色)的四分之一波长光学厚度。该滤色器的光学响应中，在蓝色波段外(500～800nm)仍表现出相对较高的反射率，使得颜色纯度相对较低。二苯并咪唑是一种常见的蓝色有机染料，其消光系数k在蓝色波长范围内很低，而在长波长区域则存在很大的损耗。因此，我们设计了一种新的采用Ni-二苯并咪唑复合吸收剂的蓝色滤色器，83nm厚的二氧化钛介电层被27nm厚的二苯并咪唑和60nm厚的二氧化钛(仍对应于波长为460nm的半波长光学厚度)所替代，其他层的材料及厚度保持不变。
请参阅图5，本申请还提出一种对称结构的滤色器200，该滤色器200包括：依次层叠设置的第一抗反射层201、第一光吸收层202、第一介电层203、反射层204、第二介电层205、第二光吸收层206以及第二抗反射层207；
其中，第一抗反射层201、第一光吸收层202、第一介电层203组成第一滤色层210，第二介电层205、第二光吸收层206以及第二抗反射层207组成第二滤色层220，第一滤色层210和第二滤色层220对称设置在反射层204两侧表面上。
在一实施例中，第一抗反射层201、第二抗反射层207的材料选自氧化物、氮化物或硫化物中的至少一种；第一光吸收层202、第二光吸收层206的材料选自金属、混合金属或者半导体中的至少一种；第一介电层203、第二介电层205的材料选自氧化物、氮化物或硫化物中的至少一种；反射层204的材料选自铝、铜、金或银中的至少一种。
可以理解的是，本实施例中第一抗反射层201、第二抗反射层207的结构与上述实施例中的抗反射层101的结构相同，本实施例中第一光吸收层202、第二光吸收层206的结构与上述实施例中的光吸收层102的结构相同，本实施例中第一介电层203、第二介电层205的结构与上述实施例中的介电层103结构相同，本实施例中的反射层204的结构与上述实施例中的反射层104的结构相同。具体参阅上述实施例，在此不做赘述。
本申请还提出一种纳米滤色晶体，该纳米滤色晶体为上述实施例的滤色器200的碎片，每一纳米滤色晶体的总层数与滤色器200的总层数相同，每一纳米滤色晶体的光学性质与滤色器200的光学性质相同；
每一纳米滤色晶体的颗粒尺寸可以为3μm-50μm(例如3μm、10μm、30μm、40μm或50μm)。
本申请还提出一种涂料，该涂料包括基础溶剂，以及如上述权利要求23的纳米滤色晶体；涂料形成的涂层用于反射波长范围在400nm至800nm之间光线。基础溶剂可以包括(但不限于)乙二醇醚、醇、芳香族化合物(例如芳香族烃)、白色溶剂油、支链酮、酯以及其组合。根据一或多个实施例，基础溶剂选自下组：乙二醇、二乙二醇单***、二丙二醇二甲醚、丙二醇甲醚、乙醇、二丙二醇甲醚以及其组合。
以上仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (23)
1.一种滤色器，其特征在于，所述滤色器包括：依次层叠设置的反射层、介电层、光吸收层以及抗反射层；
其中，所述光吸收层的厚度小于等于
其中，n为所述光吸收层的折射率，λc为峰值反射波长，所述峰值反射波长的范围在400nm至800nm之间；
所述光吸收层包括第一吸收层和第二吸收层，所述第一吸收层的材料不同于所述第二吸收层的材料；
所述第一吸收层的厚度t1为1nm至14nm；
所述第二吸收层的厚度t2为1nm至14nm；
所述抗反射层的厚度为
其中，n2为所述抗反射层的折射率，λ0为反射被抑制的目标波长，所述反射被抑制的目标波长的范围在400nm至800nm之间，所述抗反射层的厚度为20nm-50nm或者55nm-75nm。
2.根据权利要求1所述的滤色器，其特征在于，
波长为所述峰值反射波长λc的第一光线在所述光吸收层的电场强度E(λc)趋近于零。
3.根据权利要求1所述的滤色器，其特征在于，
所述光吸收层包括第一材料或第二材料中的至少一种；
所述第一材料不同于所述第二材料。
4.根据权利要求3所述的滤色器，其特征在于，
所述第一材料和所述第二材料选自金属、混合金属或者半导体中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的滤色器，其特征在于，
所述金属选自钛、铜、铬、钽、钨、钼、铌、钴、镍、钯、金、铝、铂、银或钒；
所述混合金属选自钛、铜、铬、钽、钨、钼、铌、钴、镍、钯、金、铝、铂、银或钒中的至少两种；
所述半导体选自硅、锗、II-VI族化合物半导体或III-V族化合物半导体中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的滤色器，其特征在于，
所述光吸收层的等效介电常数εeff为
其中，t1和t2分别为所述第一吸收层和所述第二吸收层的厚度；ε1和ε2分别为所述第一吸收层和所述第二吸收层的介电常数。
7.根据权利要求6所述的滤色器，其特征在于，
所述第一吸收层和所述第二吸收层的材料选自金属、混合金属或者半导体中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的滤色器，其特征在于，
所述金属选自钛、铜、铬、钽、钨、钼、铌、钴、镍、钯、金、铝、铂、银或钒；
所述混合金属选自钛、铜、铬、钽、钨、钼、铌、钴、镍、钯、金、铝、铂、银或钒中的至少两种；
所述半导体选自硅、锗、II-VI族化合物半导体或III-V族化合物半导体中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的滤色器，其特征在于，
所述反射层的厚度为50nm至150nm；
所述反射层的材料为金属或混合金属；
所述金属选自铝、铜、金、铂、铬、镍或银；
所述混合金属选自钛、铜、铬、钽、钨、钼、铌、钴、镍、钯、金、铝、铂、银或钒中的至少两种。
10.根据权利要求1所述的滤色器，其特征在于，
所述介电层的厚度为
其中，n4为所述介电层的折射率，λc为峰值反射波长，所述峰值反射波长的范围在400nm至800nm之间；
所述介电层的材料选自氧化物、氮化物或硫化物中的至少一种。
11.根据权利要求1所述的滤色器，其特征在于，
所述介电层的材料选自铌钛氧化物、二氧化硅、氮氧化硅、铝氧化物、二氧化钛、五氧化二铌、五氧化二钽、氧化锆、氧化钇、二氧化铪、氮化硅、硒化锌、钨氧化物或硫化锌中的至少一种。
12.根据权利要求6所述的滤色器，其特征在于，
所述介电层的折射率大于等于2.0，以保证反射峰与角度不敏感。
13.根据权利要求1所述的滤色器，其特征在于，
所述抗反射层的折射率大于等于2.0；
所述抗反射层的材料选自氧化物、氮化物或硫化物中的至少一种。
14.根据权利要求13所述的滤色器，其特征在于，
所述抗反射层的材料选自铌钛氧化物、二氧化硅、氮氧化硅、铝氧化物、二氧化钛、五氧化二铌、五氧化二钽、氧化锆、氧化钇、二氧化铪、氮化硅、硒化锌、钨氧化物或硫化锌中的至少一种。
15.根据权利要求1所述的滤色器，其特征在于，所述滤色器还包括：谐振腔，设置在所述抗反射层远离所述光吸收层的一侧，所述谐振腔用于降低波长在所述峰值反射波长之外的光线的反射。
16.根据权利要求1所述的滤色器，其特征在于，所述滤色器包括对应于子像素的蓝色滤色器、绿色滤色器以及红色滤色器；
在所述蓝色滤色器中，所述反射层的厚度为50-150nm，所述第一吸收层的厚度为5-14nm，所述第二吸收层的厚度为5-14nm，所述介电层的厚度为70-90nm，所述抗反射层的厚度为55-75nm；
在所述绿色滤色器中，所述反射层的厚度为50-150nm，所述第一吸收层的厚度为10-14nm，所述第二吸收层的厚度为5-14nm，所述介电层的厚度为210-240nm，所述抗反射层的厚度为20-40nm；
或者，在所述绿色滤色器中，所述反射层的厚度为50-150nm，所述第一吸收层的厚度为5-14nm，所述第二吸收层的厚度为5-14nm，所述介电层的厚度为220-250nm，所述抗反射层的厚度为20-40nm；
在所述红色滤色器中，所述反射层的厚度为50-150nm，所述第一吸收层的厚度为5-14nm，所述第二吸收层的厚度为5-14nm，所述介电层的厚度为120-140nm，所述抗反射层的厚度为30-50nm。
17.根据权利要求16所述的滤色器，其特征在于，
在所述蓝色滤色器中，所述反射层为铝层，所述反射层的厚度为100nm，所述第一吸收层为镍层，所述第二吸收层为钨层，所述第一吸收层的厚度为8nm，所述第二吸收层的厚度为8nm，所述介电层为五氧化二钽层，所述介电层的厚度为80nm，所述抗反射层为五氧化二钽层，所述抗反射层的厚度为68nm；
在所述绿色滤色器中，所述反射层为铝层，所述反射层的厚度为100nm，所述第一吸收层为金层，所述第二吸收层为镍层，所述第一吸收层的厚度为14nm，所述第二吸收层的厚度为6nm，所述介电层为五氧化二钽层，所述介电层的厚度为228nm，所述抗反射层为五氧化二钽层，所述抗反射层的厚度为26nm；
或者，在所述绿色滤色器中，所述反射层为铝层，所述反射层的厚度为100nm，所述第一吸收层为钛层，所述第二吸收层为铜层，所述第一吸收层的厚度为7nm，所述第二吸收层的厚度为9nm，所述介电层为二氧化钛层，介电层的厚度为232nm，所述抗反射层为二氧化钛层，所述抗反射层的厚度为26nm；
在所述红色滤色器中，所述反射层为铝层，所述反射层的厚度为100nm，所述第一吸收层为钨层，所述第二吸收层为锗层，所述第一吸收层的厚度为8nm，所述第二吸收层的厚度为8nm，所述介电层为五氧化二钽层，所述介电层的厚度为130nm，所述抗反射层为五氧化二钽层，所述抗反射层的厚度为44nm。
18.根据权利要求1所述的滤色器，其特征在于，所述滤色器还包括：有机染料层；
所述有机染料层设置在所述光吸收层和所述介电层之间，或者所述有机染料层设置在所述光吸收层和所述抗反射层之间。
19.根据权利要求18所述的滤色器，其特征在于，所述滤色器包括蓝色滤色器；
在所述蓝色滤色器中，所述反射层为铝层，所述反射层的厚度为50-150nm，所述光吸收层为镍层，所述光吸收层的厚度为10-20nm，所述介电层为二氧化钛层，所述介电层的厚度为45-70nm，所述有机染料层为二苯并咪唑层，所述有机染料层的厚度为15-45nm，所述抗反射层为二氧化钛层，所述抗反射层的厚度为50-70nm。
20.一种滤色器，其特征在于，包括：依次层叠设置的第一抗反射层、第一光吸收层、第一介电层、反射层、第二介电层、第二光吸收层以及第二抗反射层；
其中，所述第一抗反射层、所述第一光吸收层、所述第一介电层组成第一滤色层，所述第二介电层、所述第二光吸收层以及所述第二抗反射层组成第二滤色层，所述第一滤色层和所述第二滤色层对称设置在所述反射层两侧表面上；
所述第一光吸收层和所述第二光吸收层与权利要求1-19中任一光吸收层结构相同。
21.根据权利要求20所述的滤色器，其特征在于，
所述第一抗反射层、所述第二抗反射层的材料选自氧化物、氮化物或硫化物中的至少一种；
所述第一光吸收层、所述第二光吸收层的材料选自金属、混合金属或者半导体中的至少一种；
所述第一介电层、所述第二介电层的材料选自氧化物、氮化物或硫化物中的至少一种；
所述反射层的材料选自铝、铜、金或银中的至少一种。
22.一种纳米滤色晶体，其特征在于，
所述纳米滤色晶体为如上述权利要求20-21任一项所述的滤色器的碎片，每一所述纳米滤色晶体的总层数与所述滤色器的总层数相同，每一所述纳米滤色晶体的光学性质与所述滤色器的光学性质相同；
每一所述纳米滤色晶体的颗粒尺寸为3μm-50μm。
23.一种涂料，其特征在于，所述涂料包括基础溶剂以及如上述权利要求22所述的纳米滤色晶体；
所述涂料形成的涂层用于反射波长范围在400nm至800nm之间光线。
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