CN111736245A - 等离激元滤色器 - Google Patents
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Abstract
等离激元滤色器，涉及滤色器技术领域，其包括若干个滤色单元，每个滤色单元包括纵向依序层叠的反射层、中间层和谐振体，谐振体由在可见光波段具有反常色散光学特性的材料制成。谐振体、中间层和反射层组成了支持间隙等离激元的结构体系，当可见光波段入射光从谐振体一侧照射到该结构体系上，能量被高度局域在中间层(即谐振体与反射层之间的间隙)中，间隙等离激元共振被激发，从而实现可见光波段内特定波段的选择性吸收。谐振体的反常色散的属性会增强这种结构体系的间隙等离激元共振，从而对于谐振体与反射层之间的间隙的变化的响应更剧烈，即间隙变化同样的尺度，可造成在可见光范围内更大幅度的光谱调制，由此提高光谱调谐灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及滤色器技术领域。
背景技术
基于人工微观有序结构的滤色器通过光的干涉、衍射等效应对光吸收和反射，从而实现对特定光波段的滤过，其被广泛地应用于防伪、显示、信息存储等领域。近年来，利用亚波长结构表面等离激元效应的滤色器，可以突破传统光学衍射极限，在纳米尺度上实现对光的操控，获得更高的光学分辨率，因此在有超高分辨率显示需求的领域内具有良好的应用前景。
现有技术中，基于表面等离激元效应的滤色器，主要有(类)金属/介质纳米谐振体、(类)金属-介质-(类)金属复合结构等结构形式，通常使用在可见光波段具有正常色散光学特性的材料制作谐振体，光谱调谐的灵敏度较低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种等离激元滤色器，其光谱调谐的灵敏度较高。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案。
1、等离激元滤色器，包括若干个滤色单元，每个滤色单元包括纵向依序层叠的反射层、中间层和谐振体，谐振体由在可见光波段具有反常色散光学特性的材料制成。
谐振体、中间层和反射层组成了支持间隙等离激元的结构体系，这种开放***中的间隙等离激元共振可以理解为一个受特定的量子化共振波矢限制的封闭平面多层***的表面等离激元。当可见光波段入射光从谐振体一侧照射到该结构体系上，能量被高度局域在中间层(即谐振体与反射层之间的间隙)中，间隙等离激元共振被激发，从而实现可见光波段内特定波段的选择性吸收，最后剩余的光被反射回去，这些反射光组成人眼可识别的颜色，从而达到滤色的目的。
谐振体由在可见光波段具有反常色散光学特性的材料制成，其反常色散的属性会增强这种结构体系的间隙等离激元共振，从而对于中间层的厚度(即谐振体与反射层之间的间隙)的变化的响应更剧烈，即间隙变化同样的尺度，可造成在可见光范围内更大幅度的光谱调制，由此提高光谱调谐灵敏度。
2、如技术方案1所述的等离激元滤色器，谐振体由锗制成。
3、如技术方案1所述的等离激元滤色器，中间层由尺寸可受控变化的材料制成，以使中间层的纵向厚度可受控变化。中间层的纵向厚度(即谐振体与反射层之间的间隙)发生改变时，间隙等离激元共振吸收峰(被选择性吸收的波段)的位置会发生变化，使得频谱出现红移或者蓝移，从而实现光谱动态调谐(即动态调色)的目的。
4、如技术方案3所述的等离激元滤色器，还包括电控装置，中间层由PEG的二硫基改性物的有机分子材料或硫化镉压电材料制成，电控装置与中间层连接以可通过电控方式改变中间层的厚度。PEG的二硫基改性物的有机分子材料、硫化镉压电材料均为已知的尺寸可受控变化的材料。
5、如技术方案1所述的等离激元滤色器，谐振体的横截面是圆形的。这种谐振体无尖角结构，在结构表面形成的等离激元会更加均匀，而且加工制作起来会更加容易。
6、如技术方案5所述的等离激元滤色器，若干个滤色单元沿X方向排列多行，且沿Y方向排列形成多列，每行中任意两个相邻的滤色单元的周期与该两个滤色单元的谐振体的所述横截面的直径之比均为2:1，每列中任意两个相邻的滤色单元的周期与该两个滤色单元的谐振体的所述横截面的直径之比均为2:1，
所述周期为该两个相邻的滤色单元的谐振体的所述横截面的中心之间的距离，
X方向与Y方向相互垂直，被X方向与Y方向共同确定的平面为基准面，
所述横截面为被基准面或与基准面平行的平面截取的截面。
滤色单元排列过密，相邻滤色单元之间可能会发生耦合，导致更高模式的引入及光谱红移；排列过稀，则颜色效率过低，颜色过淡。
7、如技术方案5所述的等离激元滤色器，所述横截面的直径大于等于40nm且小于等于100nm。这个尺寸范围使得等离激元共振吸收峰位位于可见光范围内。不同的谐振体横截面直径可以使得等离激元共振峰位发生变化，采用微纳加工工艺制作后谐振体横截面直径是固定的，利用这种静态架构可以实现全彩图，即在全彩图中每个像素处填充对应所需颜色的不同周期、不同谐振体横截面直径的滤色单元阵列。
8、如技术方案7所述的等离激元滤色器，谐振体的纵向厚度为60nm。谐振体的纵向高度的改变影响反射光的效率，从而影响颜色的亮度，而不改变等离激元共振吸收峰位。
9、如技术方案1所述的等离激元滤色器，还包括透光的衬底，在每个滤色单元中，衬底、谐振体、中间层、反射层依序层叠。
在实际制作及应用中，为实现更大程度的色域扩展，一般将易氧化的银材料作为反射层，在该情况下，采用反向构型(即衬底、谐振体、中间层、反射层依序层叠的结构)。这种反向构型中的反射层是最后进行制作的，由于制作反射层时须在真空环境中进行，反射层与中间层的接触面是在真空环境中形成的，从而避免与中间层接触的反射层氧化而改变谐振体与反射层之间的间隙，保证滤色的准确性。
10、如技术方案1所述的等离激元滤色器，所有滤色单元的反射层为一体的。易于加工。
11、如技术方案1所述的等离激元滤色器，所有滤色单元的中间层为一体的。易于加工。
附图说明
图1为本发明的等离激元滤色器的结构示意图；
图2为本发明的等离激元滤色器的一种实施例在图1中沿A-A方向的纵截面的结构示意图；
图3为本发明的等离激元滤色器的另一种实施例在图1中沿A-A方向的纵截面的结构示意图。
附图标记包括：
滤色单元1，反射层11，中间层12，谐振体13，衬底2。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作详细说明。
如图1所示，本实施例的等离激元滤色器包括若干个滤色单元1，这些滤色单元1沿X轴方向排列多行，且Y轴方向排列多列，X轴与Y轴相互垂直。如图2所示，每个滤色单元1包括反射层11、中间层12和谐振体13，在纵向方向上，反射层11、中间层12和谐振体13依序层叠，组成(类)金属-介质-(类)金属复合结构，这里的纵向即为Z轴方向，Z轴与X轴、Y轴组成一个三维直角坐标系。谐振体13由在可见光波段具有反常色散光学特性的材料制成，本实施例中，谐振体13由锗制成，谐振体13在可见光波段的反常色散光学特性会增强滤色单元1这种结构体系的间隙等离激元共振，从而对于中间层12的厚度(即谐振体13与反射层11之间的间隙)的变化的响应更剧烈，即间隙变化同样的尺度，可造成在可见光范围内更大幅度的光谱调制，由此提高光谱调谐灵敏度。
为实现光谱动态调谐，及动态变色，利用尺寸可受控变化的材料来制作中间层12，例如PEG的二硫基改性物的有机分子材料或硫化镉压电材料，这两类材料可通过电控方式改变自身尺寸，从而改变中间层12的纵向厚度，因此还需设置电控装置(图中未示出)来控制中间层12的纵向厚度。中间层12的纵向厚度(即谐振体13与反射层11之间的间隙)发生改变时，间隙等离激元共振吸收峰(被选择性吸收的波段)的位置会发生变化，使得频谱出现红移或者蓝移，从而实现光谱动态调谐(即动态调色)的目的。
结合由在可见光波段具有反常色散光学特性的材料制成的谐振体13，中间层12的纵向厚度变化同样尺度的情况下，可造成在可见光范围内更大幅度的光谱调制，由此提高光谱调谐灵敏度。换言之，中间层12的纵向厚度变化同样尺度的情况下，可实现更大范围的颜色变化。
如图2所示，本实施例中，所有滤色单元1的反射层11是一体的，每个滤色单元1的反射层11是这个整体中的一个部分；所有滤色单元1的中间层12也是一体的，每个滤色单元1的中间层12是这个整体中的一个部分。
如图1所示，谐振体13的横截面是圆形的。本文件中，被X轴与Y轴共同确定的平面为基准面，被基准面或与基准面平行的平面截取的截面即为横截面。谐振体13以及该谐振体13在中间层12、反射层11的沿Z轴方向的投影区域(即图2、图3中的虚线示出的部分)构成一个滤色单元1，沿X轴方向排列的每行中，任意两个相邻的滤色单元1的周期与谐振体13的直径之比均为2:1，所述周期为该两个相邻的滤色单元1的谐振体13的所述横截面的中心之间的距离，图1中，L1、L2即为周期，结合图1，L1：D1＝2:1，L1：D2＝2:1，L1：D3＝2:1，L1：D4＝2:1，L2：D1＝2:1，L2：D3＝2:1，L2：D2＝2:1，L2：D4＝2:1。如图1所示，本实施例中，40nm≤谐振体13的横截面的直径(D1、D2、D3、D4)≤100nm，谐振体13的纵向厚度H1为60nm。滤色单元1排列过密，相邻滤色单元1之间可能会发生耦合，导致更高模式的引入及光谱红移；排列过稀，则颜色效率过低，颜色过淡。
如图2所示，在加工本实施例的等离激元滤色器的过程中，需要有衬底2，然后在衬底2上制作一层反射层11，反射层11通常由金属制成，例如金、银、铝等高反射性材料，反射层11的纵向厚度大约在100nm，不同材料制成的反射层11的纵向厚度不同，满足光的透过率为零即可。反射层11的厚度是纳米级的，一般是采用真空镀膜工艺在衬底2上进行制作，制成反射层11后，再将中间层12、谐振体13制作上去即可。谐振体13利用微纳加工工艺制成。
制作反射层11需要在真空中完成，因此在制作过程中反射层11不会氧化，然而，制造完成后，从真空环境中取出衬底2及反射层11再将中间层12制作上去的过程中，由于从真空环境中取出了，对于容易氧化的材料，例如银，裸露在空气中的表面就会自然氧化，导致反射层11与中间层12的接触面氧化形成一层氧化膜，该层氧化膜成为介质，变成中间层12的一部分，进而改变谐振体13与反射层11之间的间隙，影响滤色的准确性。
如图3所示，在另一实施例中，提供另一种结构，相比于图2中的实施例，滤色单元1倒置。图2的实施例中，在每个滤色单元1中，按图中从上往下，层叠的顺序是谐振体13、中间层12、反射层11、衬底2，图3的实施例中，则为反射层11、中间层12、谐振体13、衬底2。这样，在制作过程中，反射层11是最后被制作的，在真空环境中，反射层11直接形成在中间层12的表面，因此可避免与中间层12接触的反射层11氧化而改变谐振体13与反射层11之间的间隙，保证滤色的准确性。
需要说明的是，本文件中X轴方向、Y轴方向、Z轴方向均包含相应轴向的正方向及负方向。X轴方向即为X方向，Y轴方向即为Y方向，X方向与Y方向可依据实际情况设计，它们可不相互垂直。滤色单元1的排列方式不限于本实施例中的正交方式，还可以是正六边形晶格结构等排列方式。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (11)
1.等离激元滤色器，包括若干个滤色单元，其特征是，每个滤色单元包括纵向依序层叠的反射层、中间层和谐振体，谐振体由在可见光波段具有反常色散光学特性的材料制成。
2.如权利要求1所述的等离激元滤色器，其特征是，谐振体由锗制成。
3.如权利要求1所述的等离激元滤色器，其特征是，中间层由尺寸可受控变化的材料制成，以使中间层的纵向厚度可受控变化。
4.如权利要求3所述的等离激元滤色器，其特征是，还包括电控装置，中间层由PEG的二硫基改性物的有机分子材料或硫化镉压电材料制成，电控装置与中间层连接以可通过电控方式改变中间层的厚度。
5.如权利要求1所述的等离激元滤色器，其特征是，谐振体的横截面是圆形的。
6.如权利要求5所述的等离激元滤色器，其特征是，若干个滤色单元沿X方向排列多行，且沿Y方向排列形成多列，每行中任意两个相邻的滤色单元的周期与该两个滤色单元的谐振体的所述横截面的直径之比均为2:1，每列中任意两个相邻的滤色单元的周期与该两个滤色单元的谐振体的所述横截面的直径之比均为2:1，
所述周期为该两个相邻的滤色单元的谐振体的所述横截面的中心之间的距离，
X方向与Y方向相互垂直，被X方向与Y方向共同确定的平面为基准面，所述横截面为被基准面或与基准面平行的平面截取的截面。
7.如权利要求5所述的等离激元滤色器，其特征是，所述横截面的直径大于等于40nm且小于等于100nm。
8.如权利要求7所述的等离激元滤色器，其特征是，谐振体的纵向厚度为60nm。
9.如权利要求1所述的等离激元滤色器，其特征是，还包括透光的衬底，在每个滤色单元中，衬底、谐振体、中间层、反射层依序层叠。
10.如权利要求1所述的等离激元滤色器，其特征是，所有滤色单元的反射层为一体的。
11.如权利要求1所述的等离激元滤色器，其特征是，所有滤色单元的中间层为一体的。
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| GR01 | Patent grant | ||
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