基于金属-介质薄膜结构的彩色滤光片研究

发布时间：2020-04-08 15:06

【摘要】：相较于传统的利用颜料或者染料制作彩色滤光片的工艺,基于微纳结构的彩色滤光片具有颜色鲜艳、污染小、使用寿命长等优点。彩色滤光片在平板显示、装饰印刷、传感探测、信息存储、防伪识别等领域都有重要的应用。随着微纳加工与制备技术的发展,基于微纳结构的彩色滤光片成为一个重要的研究方向。本文的研究内容主要包含基于金属-介质薄膜结构的彩色滤光片设计与测试,包括光学塔姆态共振效应的原理、彩色滤光片结构设计、各种数值模拟计算方法,以及彩色滤光片的制备和光谱测试。研究结果主要包括:基于光学塔姆态原理,我们设计了金属-介质结构的透射式彩色滤光片。滤光片由两种介质材料交替形成的布拉格反射镜(distributed bragg reflector,DBR)和中间金属Ag层组成。利用传输矩阵法,我们初步仿真研究了Ag薄膜厚度和布拉格反射镜的周期数对器件滤光特性的影响。通过改变介质层的厚度,对输出颜色实施控制,设计出一种高透射率、宽角度的薄膜型彩色滤光片。通过优化结构参数之后,我们分别采用有限元法、时域有限差分法、传输矩阵法进行仿真计算。采用电子束蒸发的方法,我们制备了红、绿、蓝三色滤光片。并且测量了不同入射角度下的透射光谱,对彩色滤光片的滤光性能、颜色特性和角度特性进行了分析。实际测量结果与理论设计一致。红绿蓝三种滤光片分别实现了76%,73%,64%的透射率。入射光角度在0~40°的范围内变化时,透射式滤光片表现出的颜色不随入射角度的改变而发生变化。与其他亚波长周期光栅结构相比,本文设计的透射式薄膜结构彩色滤光片具有制作简单、方便等优势。制作过程不需要刻蚀复杂的纳米图案,只需要简单的镀膜沉积工艺,适合大规模、大面积生产。与传统的多层介质薄膜干涉滤光片相比,基于金属-介质结构的彩色滤光片在实现高透射率的同时也能适用于宽角度场合,并且在整个可见光波长范围内都有很好的应用。
【图文】：

结构设计图,彩色滤光片,结构设计图

华中科技大学硕士学位论文[12]。使用纳米压印的方法，不同颜色的滤光片可以制作在同一石英基底上，大大节省了成本。如图 1-1 所示，通过调整光栅的周期 Λ 和占空比，分别得到透射率为 71.1%，58.1%和 59.3%的红、绿、蓝三色滤光片。依靠纳米结构中的光子或等离子体共振得到的结构色，表现出高稳定性、高空间分辨率、易扩展性、尺寸小易于集成等优点。但是这种一维亚波长光栅结构对入射光偏振态具有选择性，红、绿滤光片的共振模式由 TM(Transverse magnetic)偏振光激发，而 TE(Transverse electric)偏振光入射实现蓝光滤波特性，相应的光能也会有所损失。

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4华中科技大学硕士学位论文图1-2 (a) 反射等离子体彩色滤光片结构图 (b)结构顶部和侧面扫描电镜图 (c) 测量的反射光谱和TM 入射光从 15°变化至 50°对应的颜色[13]上述提出的基于一维亚波长光栅结构对入射光的偏振态具有选择性，，从而导致透过的光能产生部分损失。二维亚波长光栅结构通常具有对称性，TE、TM 偏振光都能有效激发共振模式。因此二维亚波长光栅结构对入射光偏振态不敏感，光能利用率明显提高。新加坡材料工程研究所 Karthik Kumar 提出了一种全彩色印刷的方法，利用光学衍射极限原理，将彩色信息编码在背向反射层之上的银/金纳米盘结构中[14]。单个颜色像素尺寸只有 250 nm×250 nm，分辨率约为每英寸 100000 点，已经达到了彩色图像印刷中的极限分辨率。该彩色滤光片单个像素由 4 个纳米圆柱组成。基于表面等离子体共振和 Fano 共振[15]相互作用原理
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH74

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