一种基于矩形晶格排列的彩色滤光片及其制备方法和应用
阅读：378发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种基于矩形晶格排列的彩色滤光片及其制备方法和应用专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及彩色滤光片技术领域，尤其涉及一种基于矩形晶格排列的彩色滤光片及其制备方法和应用。所述滤光片结构为：包括透明衬底，透明 覆盖 层 和纳米柱，所述纳米柱固定在透明衬底的表面上，所述透明覆盖层填充在纳米柱之间，且将纳米柱包覆在透明覆盖层中；纳米柱形成的阵列呈矩形晶格排列，且相邻纳米柱之间的距离和相邻两排纳米柱之间的最短距离不相等。本发明的矩形晶格能够独立地改变超表面的横向和纵向周期，从而实现对透射 光谱 和滤出 颜色 更为细致地调控，最终获得具有更高色彩 饱和度 的彩色滤光片。其次，通过引入矩形晶格，即将超表面的横向和纵向周期设置为不同的值，该结构能够展现出优异的周期不敏感特性，从而提高彩色滤光片的 稳定性 。，下面是一种基于矩形晶格排列的彩色滤光片及其制备方法和应用专利的具体信息内容。
1.一种基于矩形晶格排列的彩色滤光片，其特征在于：包括：透明衬底，透明覆盖层和纳米柱，所述纳米柱固定在透明衬底的表面上，所述透明覆盖层填充在纳米柱之间，且将纳米柱包覆在透明覆盖层中；所述纳米柱形成的阵列呈矩形晶格排列，且相邻纳米柱之间的距离和相邻两排纳米柱之间的最短距离不相等。
2.如权利要求1所述的基于矩形晶格排列的彩色滤光片，其特征在于：述纳米柱由在可见光波段具有高折射率及低光学损耗的材料制成；优选为纳米柱的材质包括：氢化非晶硅、二氧化钛、碳化硅中的任意一种。
3.如权利要求1所述的基于矩形晶格排列的彩色滤光片，其特征在于：所述透明衬底的材质为玻璃、PMMA、PDMS中的任意一种；
优选地，所述透明覆盖层的材质为PMMA、PDMS中的任意一种。
4.如权利要求1-3任一项所述的基于矩形晶格排列的彩色滤光片，其特征在于：所述纳米柱为圆形柱、椭圆柱、矩形块、不同臂长的十字架中的任意一种；
优选地，所述纳米柱为圆形柱，其高度为50-120nm，直径为80-140nm。
5.如权利要求1-3任一项所述的基于矩形晶格排列的彩色滤光片，其特征在于：所述矩形晶格排列的横向周期为150-400nm，纵向周期为150-400nm，优选地，所述横向周期、纵向周期为150nm、180nm、210nm、240nm、270nm、300nm、350nm、400nm中的任意不同数值的组合；
优选地，所述横向周期和纵向周期相差不超过150nm。
6.如权利要求1-5任一项所述的基于矩形晶格排列的彩色滤光片，其特征在于：将透明衬底替换为具有铝或硅衬底。
7.如权利要求1-5任一项所述的基于矩形晶格排列的彩色滤光片，其特征在于：将所述纳米柱替换为纳米正方体块、纳米球、纳米锥中的任意一种。
8.权利要求1-7任一项所述的基于矩形晶格排列的彩色滤光片的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)在透明衬底上制备沉积层，所述沉积层的材质与纳米柱相同；
(2)在该沉积层上形成光刻胶纳米柱阵列，且纳米柱阵列呈矩形晶格排列；
(3)刻蚀掉暴露在光刻胶外多余的沉积层；并除去残留的光刻胶；
(4)将透明覆盖层旋涂在纳米柱阵列表面并固化，实现纳米柱间的填充和纳米柱的包覆，即得。
9.权利要求8所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，借助硅烷和氦气的混合气体，通过等离子体增强化学气相沉积实现在透明衬底上的沉积层的制备；
优选地，步骤(2)中，采用电子束光刻或者纳米压印的方式在沉积层上形成光刻胶纳米柱阵列；
优选地，步骤(3)中，采用CHF3和SF6混合气体在等离子体刻蚀机中进行干法刻蚀将暴露的纳米柱刻蚀掉，并通过刻蚀机中的氧化等离子体除去残留的光刻胶。
10.权利要求1-7任一项所述的基于矩形晶格排列的彩色滤光片和/或权利要求8或9所述的方法制备的滤光片在显示设备、成像设备、高性能传感器中的应用。
一种基于矩形晶格排列的彩色滤光片及其制备方法和应用
技术领域
[0001] 本发明涉及彩色滤光片技术领域，尤其涉及一种基于矩形晶格排列的彩色滤光片及其制备方法和应用。
背景技术
[0002] 本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003] 超表面是一种由密集排列的等离子体纳米结构或者高折射率纳米颗粒构成的超薄二维光学平面结构。作为传统三维超材料的替代方案，超表面有易于制造、高度紧凑性以及能与其他光学或电子器件集成的显着优势，因此在高分辨率彩色滤光片、结构色打印、显示等应用中获得了迅速的关注。为实现高效率透射式显示/成像设备，基于超表面的彩色滤光片需要在透射模式下提供高透射率和高饱和度的颜色滤出。在先前的报道中，超高分辨率结构彩色通常利用基于金属纳米结构的等离子体超表面来实现，尤其在反射模式中能够提供显著的颜色响应。然而，等离子体表面由于具有不可避免的传导损耗，难以获得高透射率的颜色，严重限制了它们在透射型器件中的潜在应用。为克服等离子体超表面带来的传导损耗，基于高折射率纳米颗粒谐振腔的全介质超表面获得了极大关注，且被认为是获得高透射彩色的最佳方法之一。但，目前报道的全介质超表面受限于其在短波长处的高损耗仍主要工作在反射模式下，并未展现出全介质超表面能够实现高透射效率的潜在优势。氢化非晶硅不仅可以提供较低的吸收损耗以及较高的折射率，且能够容易沉积到透明衬底上，因此被认为是实现透射型彩色滤光片的最佳材料。
[0004] 此外，报道的全介质超表面结构主要基于按正方形晶格排列的纳米颗粒。在这些工作中，主要通过改变纳米颗粒的几何形状来实现光谱和共振波长的调控。周期，作为纳米颗粒阵列中另一个常见的参数，则被认为对光谱和颜色响应的影响很小。最近一些研究表明，只有当周期在极小范围内变化时，上述结论才成立，这意味着滤光片产生的颜色基本上具有很强的周期敏感特性。进一步地，本发明人研究发现：由于在加工制造过程中很难实现对周期的精确控制，所以通常精心设计的彩色滤光片并不能稳定地实现和设计一样的具有高饱和度的颜色响应。
发明内容
[0005] 本发明主要集中解决目前超高分辨率彩色滤光片存在的以下两个主要技术问题：
[0006] 首先，当前利用等离子体或者硅超表面实现的超高分辨率彩色滤光片主要工作在反射模式下，这是因为等离子体超表面无可避免的传导损耗或者硅超表面在短波长处的高光吸收率，具有高饱和度、高效率的透射式彩色滤光片的实现仍面临巨大挑战，阻碍了其在超高分辨率、高效显示中的应用。
[0007] 其次，目前提出的基于正方形晶格排列(横纵等周期)的超表面结构具有强烈的周期敏感特性，即随着周期的变化，光谱和相应的共振波长都会发生变化，从而导致最后滤出的颜色发生变化。因此，考虑到实际加工中的误差，设计的彩色滤光片的这种较差结构稳定性，难以实现该滤光片的大批量生产。
[0008] 为了克服上述提到的两个技术难题，本发明提出了一种基于矩形晶格排列的彩色滤光片及其制备方法。首先，和传统采用的具有相同横向和纵向周期的正方形晶格排列的超表面相反，本发明设计的矩形晶格能够独立地改变超表面的横向和纵向周期，从而实现对透射光谱和滤出颜色更为细致地调控，最终获得具有更高色彩饱和度的彩色滤光片。其次，通过引入矩形晶格，即将超表面的横向和纵向周期设置为不同的值，该结构能够展现出优异的周期不敏感特性，从而提高彩色滤光片的稳定性。
[0009] 本发明第一目的：提供一种基于矩形晶格排列的彩色滤光片。
[0010] 本发明第二目的：提供所述基于矩形晶格排列的彩色滤光片的制备方法。
[0011] 本发明第三目的：提供所述基于矩形晶格排列的彩色滤光片及其制备方法的应用。
[0012] 为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：
[0013] 首先，本发明公开一种基于矩形晶格排列的彩色滤光片，包括：透明衬底，透明覆盖层和纳米柱，所述纳米柱固定在透明衬底的表面上，所述透明覆盖层填充在纳米柱之间，且将纳米柱包覆在透明覆盖层中；所述纳米柱形成的阵列呈矩形晶格排列，且相邻纳米柱之间的距离和相邻两排纳米柱之间的最短距离不相等。
[0014] 其次，本发明公开所述基于矩形晶格排列的彩色滤光片的制备方法，包括如下步骤：
[0015] (1)在透明衬底上制备高折射率的沉积层，所述沉积层的材质与纳米柱相同；
[0016] (2)在该沉积层上形成光刻胶纳米柱阵列，且纳米柱阵列呈矩形晶格排列；
[0020] 与现有技术相比，本发明设计的基于矩形晶格排列的彩色滤光片具有以下特点及有益效果：
[0021] (1)通过采用矩形晶格排列的氢化非晶硅超表面实现了具有高色彩饱和度、高结构稳定性的透射式彩色滤光片，能够促进高性能显示成像器件的发展。
[0022] (2)通过将纳米柱阵列形成的超表面的横向、纵向周期设置为不同的值，即矩形晶格排列，能够获得具有高抑制比的高效透射频谱，从而获得较高的饱和度。尤其在黄色滤光片的实现上，成功打破了基于正方形晶格排列的硅超表面无法实现高饱和度、低串扰黄色的局限。
[0023] (3)相比于正方形晶格排列的硅超表面展现出的强烈周期敏感特性，基于矩形晶格排列的超表面在周期大幅度变化时(150nm范围内)，仍然能够提供稳定的高饱和度颜色的输出，并保持共振波长、透射率、光谱带宽高度一致，大大提高了彩色滤光片的结构稳定性。
[0024] (4)得益于氢化非晶硅等这类具有高折射率的材料的超表面激发的高度局域化的共振模式，彩色滤光片具有优异的偏振不敏感和入射角不敏感的光学特性，可以用于高效率透射型显示设备的开发。
[0025] (5)当超表面的横向/纵向周期增加到超过能够激发瑞利异常的周期的时候，超表面会激发出强烈的晶格共振，从而产生极窄的，且随着周期增大而红移的光谱；而这种周期调控的窄带特性使得本发明提出的滤光片还能够应用于高性能传感器的开发。附图说明
[0027] 图1是本发明实施例1制备的基于矩形晶格排列的彩色滤光片的三维结构示意图(左图)和俯视图(右图)。
[0028] 图2是本发明实施例2中基于矩形晶格排列和基于正方形晶格排列的青、品红、黄(CMY：Cyan，Magenta，yellow)三色滤光片的光谱特性比较。
[0029] 图3是本发明实施例3中基于正方形晶格排列和矩形晶格排列的黄色(Y)滤光片随着周期变化的透射光谱。
[0030] 图4是本发明实施例4中基于正方形晶格排列和矩形晶格排列的品红色(M)滤光片随着周期变化的透射光谱。
[0031] 图5是本发明实施例5中基于正方形晶格排列和矩形晶格排列的青色(C)滤光片随着周期变化的透射光谱。
[0032] 图6是实施例6中滤光片横向/纵向周期超过产生瑞利异常的周期时滤光片呈现的窄带特性。
[0033] 上述附图中标记分别代表：1-透明衬底，2-透明覆盖层，3-纳米柱。
[0034] 4-基于正方形晶格排列的黄色滤光片的透射光谱；5-基于正方形晶格排列的品红色滤光片的透射光谱；6-基于正方形晶格排列的青色滤光片的透射光谱；7-基于矩形晶格排列的黄色滤光片的透射光谱；8-基于矩形晶格排列的品红色滤光片的透射光谱；9-基于矩形晶格排列的青色滤光片的透射光谱。
具体实施方式
[0035] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0036] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如，在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0037] 正如前文所述，当前利用等离子体或者硅超表面实现的超高分辨率彩色滤光片主要工作在反射模式下；而且目前提出的基于正方形晶格排列的超表面结构具有强烈的周期敏感特性。为此，本发明提出了一种基于矩形晶格排列的彩色滤光片及其制备方法。
[0038] 本发明的核心部件是基于矩形晶格排列的高折射率超表面结构，因此，所述纳米柱由在可见光波段具有高折射率及低光学损耗的材料制成。在一些典型的实施例中，纳米柱的材质包括：氢化非晶硅、二氧化钛、碳化硅等中的任意一种。
[0039] 在一些典型的实施例中，对于透明衬底和透明覆盖层，可以选择任意在可见光波段具有高透射率的材料，如PMMA、PDMS等；PMMA、PDMS等高透明聚合物由于其具有拉伸、弯曲等特性，可用于制备具有动态调色能力的柔性器件。
[0040] 另外，本发明列举的上述衬底为透明材质，其针对的是制备高透射型彩色滤光片，但也可以通过将透明衬底换成具有高反射率的金属材料(如铝等)、非金属材料(如硅衬底)、复合材料(如涂覆了铝膜的玻璃等)，则能够获得高反射型的彩色滤光片。
[0041] 进一步地，由于超表面激发的局域共振模主要受组成超表面的纳米颗粒的尺寸影响，因此除了纳米柱结构，其他形貌的纳米颗粒结构如纳米正方体块、纳米球、纳米锥等都可以用于实现具有稳定滤色功能的超表面。
[0042] 另外，若纳米柱采用椭圆柱、矩形块、不同臂长的十字架等，还能实现偏振调控的动态彩色滤光片，能够进一步应用于光学信息存储、动态显示等领域。
[0043] 在一些典型的实施例中，所述矩形晶格排列的横向周期(即相邻纳米柱之间的距离A)为150-400nm，纵向周期为150-400nm(即相邻两排纳米柱之间的最短距离B)，例如，可以为150nm、180nm、210nm、240nm、270nm、300nm、350nm、400nm；但A≠B，以形成区别于传统的正方形晶格阵列的矩形晶格阵列。
[0044] 优选地，所述横向周期和纵向周期相差不超过150nm，但周期变化周幅度在上述范围内时，能有助于提供稳定的高饱和度颜色的输出，并保持共振波长、透射率、光谱带宽高度一致，大大提高彩色滤光片的结构稳定性。
[0045] 在一些典型的实施例中，所述圆形纳米柱的高度为50-120nm，直径为80-140nm。
[0047] 在一些典型的实施例中，步骤(2)中，采用电子束光刻或者纳米压印的方式在沉积层上方形成光刻胶纳米柱阵列。
[0049] 现结合附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。
[0050] 实施例1
[0051] 参考图1，示例一种本发明设计的基于矩形晶格排列的彩色滤光片，包括：透明衬底1，透明覆盖层2和纳米柱3；其中，所述透明衬底1的材质为玻璃；所述透明覆盖层2的材质为PMMA；述纳米柱阵列3的材质为氢化非晶硅。
[0052] 所述纳米柱3为圆柱形，其高度为50-120nm之间，直径为80-140nm之间，其固定在透明衬底1的上表面上，所述透明覆盖层2填充在纳米柱3之间，且将纳米柱3包覆在透明覆盖层2中；所述纳米柱3形成的阵列呈矩形晶格排列，即横向周期与纵向周期不同，具体示意为：相邻纳米柱之间的距离A(横向周期)和相邻两排纳米柱之间的最短距离B(纵向周期)不相等，这与传统采用的具有相同横向和纵向周期的正方形晶格排列的超表面恰好相反，也因此使本发明的这种滤光片具备了一些特有的性质。
[0053] 实施例2
[0054] 1、基于矩形晶格排列的彩色滤光片的制备，步骤为：
[0056] 随后，用电子束光刻的方式在氢化非晶硅薄膜上形成具有不同纳米柱尺寸和周期的光刻胶纳米柱阵列。光刻胶纳米柱阵列的直径/横向周期/纵向周期分别为180nm/370nm/400nm,140nm/260nm/350nm和80nm/150nm/300nm，对应着CMY滤光片的纳米柱周期和直径。
[0057] 然后，用CHF3和SF6混合气体在等离子体刻蚀机中进行干法刻蚀将暴露的多余氢化非晶硅刻蚀掉，并通过刻蚀机中的氧化等离子体除去残留的光刻胶，得到基于矩形晶格排列的氢化非晶硅纳米柱阵列。
[0058] 最后，将透明覆盖层旋涂在氢化非晶硅纳米柱阵列表面并固化，实现纳米柱间的填充。
[0059] 2、基于正方形晶格排列的彩色滤光片的制备，步骤为：和上述矩形晶格排列的彩色滤光片的制备过程一致。区别在于：第二步，用电子束光刻的方式在氢化非晶硅薄膜上形成的光刻胶纳米柱阵列的直径/横向周期/纵向周期分别为180nm/400nm/400nm,140nm/350nm/350nm和80nm/150nm/150nm，对应着基于正方形晶格排列的CMY滤光片的纳米柱周期和直径。
[0060] 性能测试：
[0061] 通过利用由氢化非晶硅纳米柱阵列构成的超表面，能够实现对入射光在特定波长处的抑制，从而获得具有波谷的透射光谱和相应的颜色输出。这种对特定波长的抑制主要来自于纳米柱激发的电偶极子和磁偶极子共振，以及偶极子间耦合效应导致的晶格共振。在周期较小的时候，超表面支持的共振模式主要是以单纯的电偶极子和磁偶极子模式为主导。此时透射光谱的共振波长和对应的透射颜色响应主要由单个纳米柱的几何参数如高度、直径来决定。因此，需要首先确定纳米柱的高度和直径，以保证能够得到实现CMY三种基本彩色滤光片的透射光谱，为了实际加工时只用一步光刻图案工艺，本实施例将不同颜色的滤光片的纳米柱高度保持一致。
[0062] 本实施例通过固定纳米柱阵列的横向(纵向)周期，而通过改变纳米柱阵列的纵向(横向)周期，来实现对透射光谱形状、带宽等特性更为细致地调控，以求获得比传统基于正方形晶格排列的滤光片更优异的透射光谱。图2为基于正方形晶格和矩形晶格排列两种滤光片的透射光谱。
[0063] 从图2左图中可以看出，对于正方形晶格排列的滤光片，通过改变周期(横向周期＝纵向周期)，最终获得了最优的黄色光谱4、品红色光谱5和青色光谱6。而且从该图中也可以很直观地看到黄色光谱4具有很宽的带宽，并且在共振波长处对光透射的抑制也不充分，仍有高达30％的光能够通过。光谱的这两个特征暗示着基于正方形晶格排列的黄色滤光片具有较高的串扰，且无法实现满意的高饱和度。如图2右图所示，通过在横向和纵向上设置不相等的周期，即矩形晶格排列，我们能够分别获得图2中的黄色光谱7、品红色光谱8和青色光谱9。此时的黄色光谱很明显具有极窄的带宽，因此实现的黄色滤光片能够有效避免不同颜色间的串扰。同时，在共振波长处的透射抑制也从正方形晶格排列的30％降到了10％左右，从而大大提高了黄色滤光片的色彩饱和度。
[0064] 实施例3
[0065] 本实施例制备彩色滤光片的方法同实施例2，区别在于：将正方形和矩形晶格阵列的黄色滤光片的周期从150nm增加到300nm；其中，对于正方形晶格排列，纵向周期和横向周期同时增加，且增量相同。而对于矩形晶格排列，采取固定横向(或纵向)周期，只改变纵向(或横向)周期的方式。
[0066] 性能测试：
[0067] 图3展示了本实施例制备的基于正方形晶格排列和矩形晶格排列的黄色滤光片(Y)随着周期变化的透射光谱，从图3左图显示的透射频谱的变化趋势可以看出，基于正方形晶格排列的黄色滤光片的共振波长虽然没有随着周期增加而大幅度改变，但其在共振波长处的透射率逐渐增加，意味着输出颜色的饱和度将随着周期增加而大幅度降低。
[0068] 从图3右图显示的透射频谱的变化趋势可以看出，相比于正方形晶格排列，矩形晶格排列则能使黄色滤光片在共振波长处的透射率始终维持在一个很低的值，从而提供高度稳定的高饱和黄色输出响应。另外，将横向和纵向周期分别设置为150nm和300nm时得到的具有极窄带宽且在共振波长处高度抑制的透射光谱正是图2中优化后的基于矩形晶格排列的黄色滤光片的透射光谱。
[0069] 实施例4
[0070] 本实施例制备彩色滤光片的方法同实施例2，区别在于：将正方形和矩形晶格阵列的品红色(M)滤光片的周期从200nm增加到450nm；其中，对于正方形晶格排列，纵向周期和横向周期同时增加，且增量相同。而对于矩形晶格排列，采取固定横向(或纵向)周期，只改变纵向(或横向)周期的方式。
[0071] 实施例5
[0072] 本实施例制备彩色滤光片的方法同实施例2，区别在于：将正方形和矩形晶格阵列的青色滤光片(C)滤光片的周期从250nm增加到400nm；其中，对于正方形晶格排列，纵向周期和横向周期同时增加，且增量相同。而对于矩形晶格排列，采取固定横向(或纵向)周期，只改变纵向(或横向)周期的方式。
[0073] 性能测试：
[0074] 实施例4和5制备的滤光片的随着超表面周期增大的透射光谱性变化分别如图4、5所示。可以看出，当处于较小周期时，基于正方形晶格排列的滤光片的透射频谱具有两个相离较远的共振波谷。根据米氏共振理论可知，这两个共振主要是由电偶极子和磁偶极子共振引起的。随着周期的增大，电偶极子激发的共振波谷急剧地红移，而磁偶极子激发的共振波谷则基本保持不动，最终导致输出颜色发生变化。而对于矩形晶格排列的滤光片，电偶极子和磁偶极子激发的共振彼此靠得很近，并且随着周期的增加，也只是小幅度移动，因此，滤光片能够稳定地输出和周期几乎无关的高饱和度颜色响应。
[0075] 实施例6
[0076] 本实施例展示本发明设计的基于矩形晶格排列的滤光片具备用于传感器的能力的示例，所述基于矩形晶格排列的滤光片的制备方法同实施例2，滤光片的纳米柱直径和横向周期和品红色滤光片保持一致，分别为140nm和350nm，区别在于：滤光片的纵向周期增大到380nm，超过品红色滤光片能提供稳定颜色输出的周期范围，以此获得适合实现传感器的具有极窄带宽、高抑制比的透射光谱。
[0077] 具体测试方法为，如图6所示，当该滤光片周围介质的折射率从1.5逐渐增加到1.8，共振波谷出现了极为明显的红移，表明该滤光片结构对周围环境非常敏感，从而可以用于构建高灵敏度的各类传感器。
[0078] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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