[發明專利]一種實現高性能結構色的單晶硅超表面及其制備方法

在審

• 申請號: 202011151927.7
• 申請日: 2020-10-23
• 公開（公告）號: CN112346151A
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發明（設計）人: 肖淑敏;楊文宏;宋清海;蔡定平
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學（深圳）;香港理工大學
• 主分類號: G02B1/00
• 分類號: G02B1/00;G02B5/00
• 代理公司: 深圳市添源知識產權代理事務所(普通合伙) 44451
• 代理人: 黎健任

本發明提供了一種實現高性能結構色的單晶硅超表面，包括氧化鋁基底和位于所述氧化鋁基底上的單晶硅超表面，所述氧化鋁基底和單晶硅超表面由折射率匹配層封裝。本發明還提供了一種實現高性能結構色的單晶硅超表面的制備方法。本發明的有益效果是：提供了一種實現高性能結構色的單晶硅超表面，利用折射率匹配層，可以同時實現廣色域、高亮度、高飽和度、高分辨率結構色，并且制備難度低，擴展和提高了結構色的應用價值。

技術領域

本發明涉及結構色領域，尤其涉及一種實現高性能結構色的單晶硅超表面及其制備方法。

背景技術

近年來，隨著新材料不斷涌現以及微納加工和實驗探測手段的不斷發展，人工微結構組成的超表面呈現出一系列新奇物理現象及巨大應用潛力。這使得超表面的研究成為各個學科共同關注的研究熱點，在近三年內利用超表面實現結構色，開始逐漸成為領域的發展焦點。而超表面結構色是一種由可見光波長尺度的微納結構與光相互作用形成的物理生色效應。

自然界中看到的顏色從產生原理上可以分為兩大類，一類是由材料的吸收特性決定的顏色，比如常見的顏料、塑料袋的顏色等；另一類是由物質的結構所呈現出特定波長的反射或散射，即所謂的結構色，比如蝴蝶的翅膀，鳥類的羽毛等。其中最常見的就是顏料和染料，通過吸收特定光的特性產生可見光范圍內的不同顏色，但這樣的顏色通常色彩鮮艷度低，色域面積小，并且空間分辨率低。為了解決這些問題，利用對不同材料超表面的設計，實現了結構色等技術領域的發展。基于微納結構的顏色避免了使用化學染料和色素帶來的環境污染，只要保持其微納結構完整就能實現永不退色，在光學顯示、光學加密和光電探測等領域具有廣闊的應用前景。

隨著結構色領域研究的深入，結構色的五個關鍵參數：(1)色域面積(2)亮度(3)半高寬比值(4)空間分辨率(5)可制造性已經成為顯示和成像技術的關鍵。

利用超表面，可以通過改變其結構單元的尺寸、形狀等幾何參數來實現對超表面的顏色的自由調控，可用于高像素成像、可視化生物傳感等領域。與傳統的染料等顏色相比，結構色具備可持續時間長，對環境無污染、可集成以及高純度高色域等優點。其中隨著微納加工技術的快速發展，通過設計制備金屬超表面已經可以在亞波長尺度實現可見光范圍的調控，基于金屬的結構色是利用金屬表面的電子與光相互作用后產生的等離子體激元控制結構色。利用光柵，納米槽和納米顆粒可以實現等離子共振可以對光的吸收或者散射，從而對光進行調控。并且金屬結構色可以實現超衍射極限的分辨率，已經可以達到100,000dpi(每英寸點數)。通過改變納米圓盤的大小和間距，從而產生在亮場光學顯微鏡下直接可見的不同顏色。金屬超表面實現的結構色具有超高分辨率的優點，可以實現顯微圖像加密，信息存儲以及納米圖案藝術設計。

另一方面，為了提高結構色的性能，基于介質材料的結構色越來越引起研究者們的興趣，目前二氧化鈦和多晶硅介質材料由于其本身具備度獨特優勢，已經被越來越多的用在超表面設計當中。其中，二氧化鈦(TiO₂)介質材料具有較高的折射率和已經完全可以忽略的損耗，可以通過設計實現可見光范圍內的顏色色彩顯示，同時由于二氧化鈦納米結構可以同時支持電偶極子模式和磁偶極子模式，二氧化鈦超表面已經被成功的用于超透鏡、全息等設計。而硅除了具備和二氧化鈦支持電偶極子和磁偶極子的優點外，還具有更高的折射率。因此可以實現對光場模式很強的局限。同時這兩種材料在地球廣泛存在，制備成本低。

隨著結構色領域的快速發展，目前如何同時對結構色的這五個關鍵參數同時實現突破，依然是一個當前結構色領域的難點。對于基于金屬等離子激元的結構色，空間分辨率實現100,000dpi，但由于本身存在的歐米損耗，對實現高亮度、高飽和度的顏色形成了制約，因此利用金屬超表面，無法同時實現這些結構色的關鍵參數指標。