CN111045122A - 基于圆形孔阵列的表面等离子体显示像素结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微纳光子器件领域，特别是涉及一种基于周期性亚波长圆形孔阵列的表面等离子体显示像素结构，所述显示像素结构包括模板和纳米颗粒两个部分，通过将不同形状或尺寸的纳米颗粒添加到模板，控制可见光波段透射峰的移动，达到呈现不同颜色的目的；本发明具有如下优点：1、本发明仅包括电介质基底、具有周期性阵列排布的透光单元的金属薄膜和结构简单的纳米颗粒，结构简单、制作工艺要求低、尺寸小便于集成。2、本发明通过在圆形孔内添加不同形状或尺寸的纳米颗粒，能实现不同颜色的功能。且能够通过改变纳米颗粒的几何参数对该器件的性能参数进行调节，从而满足不同环境下该器件的使用要求，且成像分辨率高。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光子器件领域，特别是涉及一种基于周期性亚波长圆形孔阵列的表面等离子体显示像素结构。
背景技术
颜色是对眼睛，大脑和我们的生活经验产生的光的视觉效果。通过物体对光的反射，衍射，散射和吸收为我们提供了极其生动的信息，尤其是色彩信息。
表面等离子体(Surface Plasmon,SP)具有亚波长、电场高度局域化以及局域场增强等优良特性。表面等离子体器件通过控制外部因素改变结构中SP的激发或传输，进而调控光的传输，从而实现对光的可控操作。它使特定波长范围内的光被吸收或辐射，并且材料对于人眼来说呈现出不同的颜色。由于表面等离子体材料的共振频率很大程度上取决于其结构和尺寸，因此我们可以通过更改结构的三维尺寸和图案来对其进行调整。随着微纳米加工技术和表征方法的发展，近年来通过人工产生金属纳米微结构来产生颜色已成为产生结构色的主要方法。与化学染料相比，人造微结构材料是可回收的，易于制造和耐用。另外，其局部场增强作用可以突破衍射极限并提高成像分辨率。这些特性使表面等离子体结构在超高分辨率成像，反向设计，CMOS数字集成电路，发光二极管，隐写术以及许多其他领域中具有重要应用。人们通常会改变微纳米结构的周期和材料，以调整共振频率的位置。因此，基于表面等离子体的增强光透射(EOT)效果的器件可以实现更好的性能。尽管改变结构周期和材料的种类可以实现不同颜色的呈现，但制造成本昂贵和可重复使用性低。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种基于周期性亚波长圆形孔阵列的表面等离子体显示像素结构，通过在金属薄膜上周期性地设置亚波长圆形孔阵列，然后在圆形孔内填充不同结构的单一纳米颗粒，使得可见光波段透射峰发生移动，从而呈现不同的颜色。该表面等离子体显示像素结构简单，尺寸小便于集成，而且能够极大地提高成像分辨率。
本发明的技术方案是：一种基于周期性亚波长圆形孔阵列的表面等离子体显示像素结构，包括模板和纳米颗粒两个部分，通过将不同形状或尺寸的纳米颗粒添加到模板，控制可见光波段透射峰的移动，达到呈现不同颜色的目的；其中，模板由厚度为h2的电介质基底和设于电介质基底上用于产生表面等离子体的厚度为h1的金属薄膜构成，金属薄膜上设有N个透光单元，所述的透光单元为一个周期为Px,Py的矩形，矩形中心开有一个贯穿金属薄膜厚度方向的半径为R的圆孔，R<min(Px,Py)；所述的N个透光单元周期性阵列排列；纳米颗粒由与模板相同材质的金属构成，放置于圆孔中心位置的石英基底表面；每N个周期性排列的透光单元组成一个颜色像素点，在每个颜色像素点的所有透光单元内均填充相同的纳米颗粒，使每个颜色像素点呈现出单一的颜色效果。
进一步地，所述电介质基底的电介质材料为石英，所述电介质的厚度h2为100nm。
进一步地，所述金属薄膜的材料为金属铝，所述金属薄膜的厚度h1为50nm。
进一步地，所述透光单元的形状为正方形，其排列周期Px，Py均为200nm。
进一步地，所述透光单元的数量N＝9。
进一步地，所述的纳米颗粒中，包括五种不同的结构：(1)球结构：半径R4-1为45nm-60nm；(2)十字形结构：矩形部分宽W4-2为20nm，矩形部分长L4-2为80nm-130nm，厚度H4-2为50nm；(3)圆环结构：圆环的环宽(R4-32-R4-31)保持20nm不变，内半径R4-31为15nm-40nm,外半径R4-32为35nm-60nm，厚度H4-3为50nm；(4)圆柱结构：半径R4-4为40nm-65nm，厚度H4-4为50nm；(5)：正方体结构：边长L4-5为60nm-110nm，厚度H4-5为50nm。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明的表面等离子体显示像素结构，仅包括电介质基底、具有周期性阵列排布的透光单元的金属薄膜和结构简单的纳米颗粒，结构简单、制作工艺要求低、尺寸小便于集成。
2、本发明的表面等离子体显示像素结构，通过在圆形孔内添加不同形状或尺寸的纳米颗粒，能实现不同颜色的功能。且能够通过改变纳米颗粒的几何参数对该器件的性能参数进行调节，从而满足不同环境下该器件的使用要求，且成像分辨率高。
3、本发明的模板和纳米颗粒均是可重复利用、易于制造和耐用的。
以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。
附图说明
图1为表面等离子体显示像素结构的结构示意图；
图2为表面等离子体显示像素结构不同纳米颗粒的结构示意图；
图3为表面等离子体显示像素结构模板的光透过率谱图；
图4为实施例一的显示像素结构添加不同几何参数的球结构纳米颗粒的光透过率谱图；
图5为实施例二的显示像素结构添加不同几何参数的十字形结构纳米颗粒的光透过率谱图；
图6为实施例三的显示像素结构器件添加不同几何参数的圆环结构纳米颗粒的光透过率谱图；
图7为实施例四的显示像素结构添加不同几何参数的圆柱结构纳米颗粒的光透过率谱图；
图8为实施例五的显示像素结构添加不同几何参数的正方结构纳米颗粒的光透过率谱图；
图9为表面等离子体显示像素结构添加不同纳米颗粒的颜色分布及CIE1931色空间反演图；
具体实施方式
如图1和图2所示，基于周期性亚波长圆形孔阵列的表面等离子体显示像素结构，包括模板和纳米颗粒。其中，模板由电介质基底1和设于电介质基底1上的产生表面等离子体的金属薄膜2，金属薄膜2上设有透光单元3，每9个正方排列的透光单元3组成一个颜色像素点，每个像素点呈现一种颜色效果。
所述的电介质基底1的电介质材料为石英，所述电介质的厚度为100nm；所述的金属薄膜2的材料为铝，所述金属薄膜2的厚度为50nm。
如图2所示，所述的透光单元3包括一个贯穿金属薄膜厚度方向的圆形孔。
所述的透光单元3圆形孔中半径R为60nm-90nm。所述的纳米颗粒4中：球4-1的半径R4-1为45nm-60nm；十字形4-2的宽度W4-2为20nm，长度L4-2为80nm-130nm，厚度H4-2为50nm；圆环体4-3的环宽(R4-32-R4-31)为20nm，内半径R4-31为15nm-40nm，外半径R4-32为35nm-60nm，厚度H4-3为50nm；圆柱4-4的半径R4-4为40nm-65nm，厚度H4-4为50nm；正方体4-5的边长W4-5为60nm-110nm，厚度H4-5为50nm。上述纳米颗粒4均放置于透光单元3圆孔中心位置的电介质基底1表面。
所述的颜色像素点中，每9个正方排列的圆孔内均填充相同的纳米颗粒，因此每个像素点呈现出单一的颜色效果。
仿真实验采用FDTD solutions软件实现。具体实验环境参数设置为：采用波长为300nm-700nm的平面光源，在距离电介质基底1为500nm处垂直往金属薄膜2照射。透射光检测设置在距离金属薄膜2为100nm的平面。仿真区域精度等级设置为2，网格设置为5nm。
光线k从电介质基底1方向垂直入射到金属薄膜2时，表面等离子体显示像素结构器件处于工作状态。具体实验中，可以通过在模板中将不同的纳米颗粒添加到模板圆孔的中心位置，呈现不同的颜色。如图3所示，当模板中没有添加纳米颗粒时，在可见光波段没有产生透射峰，且圆孔3的半径改变时，紫外波段的透射峰并未发生移动，因此模板对于颜色的呈现影响不大。考虑到在孔内添加纳米颗粒，我们将圆孔3的半径设置为90nm。
实施例一，
所述的纳米颗粒4中，我们采用球4-1的半径R4-1分别为45nm、50nm、55nm、60nm、65nm、70nm；上述不同半径的球结构纳米颗粒4-1均放置于透光单元3圆孔中心位置的电介质基底1表面，每一个圆孔放置一个纳米颗粒。
通过在模板中将不同半径的球结构纳米颗粒添加到模板圆孔的中心位置，使得每个像素点呈现不同的颜色。如图4所示，当球结构的半径增大，位于可见光波段的透射峰逐渐往波长大的方向移动。当半径为45nm-70nm时，透射峰位置基本覆盖可见光波段。
实施例二，
所述的纳米颗粒4中，我们采用十字形结构4-2的矩形长度L4-2分别为80nm、90nm、100nm、110nm、120nm、130nm，矩形宽度W4-2为20nm保持不变,厚度H4-2为50nm；上述不同几何参数的十字形结构纳米颗粒4-2均放置于透光单元3圆孔中心位置的电介质基底1表面，每一个圆孔放置一个纳米颗粒。
通过在模板中将不同长度的十字形结构纳米颗粒添加到模板圆孔的中心位置，使得每个像素点呈现不同的颜色。如图5所示，当十字形结构的长度增大，位于可见光波段的透射峰逐渐往波长大的方向移动。当半径为80nm-130nm时，透射峰位置基本覆盖可见光波段。
实施例三，
所述的纳米颗粒4中，我们采用圆环结构4-3的环宽(R4-32-R4-31)为20nm，内半径R4-31为15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm，外半径R4-32为35nm、40nm、45nm、50nm、55nm、60nm，厚度H4-3为50nm，环宽保持20nm不变；上述不同几何参数的圆环结构纳米颗粒4-3均放置于透光单元3圆孔中心位置的电介质基底1表面，每一个圆孔放置一个纳米颗粒。
通过在模板中将不同内外半径的圆环结构纳米颗粒添加到模板圆孔的中心位置，使得每个像素点呈现不同的颜色。如图6所示，当圆环结构的内外半径增大，位于可见光波段的透射峰逐渐往波长大的方向移动。当内(外)半径为15(35)nm-40(60)nm时，透射峰位置基本覆盖可见光波段。
实施例四，
所述的纳米颗粒4中，我们采用圆柱结构4-4的半径R4-4为40nm、45nm、50nm、55nm、60nm、65nm，厚度H4-4为50nm；上述不同几何参数的圆柱结构纳米颗粒4-4均放置于透光单元3圆孔中心位置的电介质基底1表面，每一个圆孔放置一个纳米颗粒。
通过在模板中将不同半径的圆柱结构纳米颗粒添加到模板圆孔的中心位置，使得每个像素点呈现不同的颜色。如图7所示，当圆柱结构的半径增大，位于可见光波段的透射峰逐渐往波长大的方向移动。当半径为40nm-65nm时，透射峰位置基本覆盖可见光波段。
实施例五，
所述的纳米颗粒4中，我们采用正方体结构4-5的边长W4-5为60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、110nm，厚度H4-5为50nm。；上述不同边长长度的正方体结构纳米颗粒4-5均放置于透光单元3圆孔中心位置的电介质基底1表面，每一个圆孔放置一个纳米颗粒。
通过在模板中将不同边长的正方体结构纳米颗粒添加到模板圆孔的中心位置，使得每个像素点呈现不同的颜色。如图8所示，当正方体结构的边长增大，位于可见光波段的透射峰逐渐往波长大的方向移动。当边长为60nm-110nm时，透射峰位置基本覆盖可见光波段。
如图4-8所示，当模板中添加不同尺寸的不同纳米颗粒时，可见光波段的透射峰发生移动。我们知道，具有共振激发的表面等离子体纳米结构允许将入射光极端的限制在纳米级的空间中，从而形成增强的电磁场。当缝隙的宽度越窄，在金属纳米结构中缝隙的两个壁上的电荷密度的耦合越强，有效折射率neff随纳米缝隙宽度的减小而增加，从而导致透射峰出现红移。如图9所示，为了更好地表征我们的器件的色彩性能，我们将透射光谱反演到CIE1931色度坐标图中，以获得色彩坐标点。具体操作如下：
X＝k∑λT(λ)I(λ)x'(λ) (1)
Y＝k∑λT(λ)I(λ)y'(λ) (2)
Z＝k∑λT(λ)I(λ)z'(λ) (3)
k＝100/∑λI(λ)z'(λ) (4)
x＝X/(X+Y+Z) (5)
y＝Y/(X+Y+Z) (6)
其中，T(λ)是透射光谱，I(λ)采用的平面光源的光谱，x’(λ)、y’(λ)、z’(λ)分别是三刺激值。我们在可见光波段取值范围为400nm至700nm。所求(x,y)就是我们所需要求取的色度坐标。进一步的我们提取出坐标点的颜色进行放大，形成色块。
本发明通过在模板中添加不同几何结构的纳米颗粒来影响纳米缝隙内的有效折射率，从而导致透射峰发生移动，进一步的呈现不同的颜色；并选择纳米颗粒的不同的几何参数，实现对可见光波段透射峰的不同位置的控制，从而获得表面等离子体显示像素结构器件的不同颜色性能。
本发明从理论上证实了通过基于圆形的超材料纳米结构设计表面等离子体显示像素结构器件的可行性。我们的方法具有以下优点：非易失性，可重复利用性，价格便宜，并且适用于各种环境。这种彩色渲染具有许多诱人的潜在应用，包括移动设备，窗口内显示器，IoT设备，可穿戴设备，甚至是人造视网膜。因此，我们的结果可为设计表面等离子体器件提供新的思路，并丰富金属结构在光学成像和信息处理领域的应用范围。
Claims (10)
1.一种基于周期性亚波长圆形孔阵列的表面等离子体显示像素结构，其特征在于：包括模板和纳米颗粒两个部分，通过将不同形状或尺寸的纳米颗粒添加到模板，控制可见光波段透射峰的移动，达到呈现不同颜色的目的；其中，模板由厚度为h2的电介质基底和设于电介质基底上用于产生表面等离子体的厚度为h1的金属薄膜构成，金属薄膜上设有N个透光单元，所述的透光单元为一个周期为Px,Py的矩形，矩形中心开有一个贯穿金属薄膜厚度方向的半径为R的圆孔，R<min(Px,Py)；所述的N个透光单元周期性阵列排列；纳米颗粒由与模板相同材质的金属构成，放置于圆孔中心位置的石英基底表面；每N个周期性排列的透光单元组成一个颜色像素点，在每个颜色像素点的所有透光单元内均填充相同的纳米颗粒，使每个颜色像素点呈现出单一的颜色效果。
2.一种根据权利要求1所述基于周期性亚波长圆形孔阵列的表面等离子体显示像素结构，其特征在于：所述电介质基底的电介质材料为石英，所述电介质的厚度h2为100nm。
3.一种根据权利要求1所述基于周期性亚波长圆形孔阵列的表面等离子体显示像素结构，其特征在于：所述金属薄膜的材料为金属铝，所述金属薄膜的厚度h1为50nm。
4.一种根据权利要求1所述基于周期性亚波长圆形孔阵列的表面等离子体显示像素结构，其特征在于：所述透光单元的形状为正方形，其排列周期Px，Py均为200nm。
5.一种根据权利要求1所述基于周期性亚波长圆形孔阵列的表面等离子体显示像素结构，其特征在于：所述透光单元的数量N＝9。
6.一种根据权利要求1所述基于周期性亚波长圆形孔阵列的表面等离子体显示像素结构，其特征在于：所述的纳米颗粒为球结构，半径R4-1为45nm-60nm。
7.一种根据权利要求1所述基于周期性亚波长圆形孔阵列的表面等离子体显示像素结构，其特征在于：所述的纳米颗粒为十字形结构，矩形部分宽W4-2为20nm，矩形部分长L4-2为80nm-130nm，厚度H4-2为50nm。
8.一种根据权利要求1所述基于周期性亚波长圆形孔阵列的表面等离子体显示像素结构，其特征在于：所述的纳米颗粒为圆环结构，圆环的环宽(R4-32-R4-31)保持20nm不变，内半径R4-31为15nm-40nm,外半径R4-32为35nm-60nm，厚度H4-3为50nm。
9.一种根据权利要求1所述基于周期性亚波长圆形孔阵列的表面等离子体显示像素结构，其特征在于：所述的纳米颗粒为圆柱结构，半径R4-4为40nm-65nm，厚度H4-4为50nm。
10.一种根据权利要求1所述基于周期性亚波长圆形孔阵列的表面等离子体显示像素结构，其特征在于：所述的纳米颗粒为正方体结构，边长L4-5为60nm-110nm，厚度H4-5为50nm。
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|---|---|
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