基于硅超表面和纳米结构金属薄膜的彩色滤光片及应用的制作方法

本发明涉及一种基于硅超表面和纳米结构金属薄膜的彩色滤光片及应用。

背景技术：

反射型彩色滤光片作为一个不可缺少的元件被广泛地应用到显示成像器件，太阳能电池，彩色全息图等领域中。相比与传统的基于有毒染料的彩色滤光片，基于纳米结构的彩色滤光片具有成本低，更环保，高稳定性，并且能通过互补金属氧化物半导体工艺实现等优点。

作为半导体加工中最常用的材料，硅被认为是用来开发彩色滤光片最适合的材料。目前，现有技术基于硅的反射型彩色滤光片的开发主要是通过在硅基板上制造硅纳米线和硅纳米圆盘阵列。

硅纳米线通常长达几微米，但是只有几十纳米的直径。这种极大的纵横比导致基于其开发的彩色滤光片具有不可避免的性能不稳定性，易碎性，并且大幅度地限制了包含彩色滤光片的各种器件的超小型化。

为了解决硅纳米线存在的问题，超薄厚度的基于硅纳米圆盘阵列的硅超表面被考虑用来开发高可靠性和超薄的彩色滤光片。但是，基于现有技术开发的彩色滤光片具有低反射率，色纯度差，强信号干扰等缺点。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于硅超表面和纳米结构金属薄膜的彩色滤光片及应用，本发明能够大幅地增大彩色滤光片的反射率，色纯度和亮度并且能够通过调整简单的结构参数来实现全彩色的生成。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于硅超表面和纳米结构金属薄膜的彩色滤光片，包括硅基板，所述硅基板端面上设置有呈阵列分布的硅超表面，阵列式硅超表面上端、硅基板与阵列式硅超表面的连接空隙处，分别设置有一层基于纳米结构的金属薄膜。

优选的，所述硅超表面为圆盘状，形成硅纳米圆盘阵列。

优选的，所述硅基板与阵列式硅超表面之间的空隙中的金属薄膜为纳米多孔膜。

所述阵列分布的硅超表面，每个硅超表面相当于一个纳米谐振器，能够同时产生由米氏散射引发的电偶极子和磁偶极子共振。

通过设置硅纳米圆盘阵列超表面的直径，所述彩色滤光片在可见光谱范围内，能够吸收某个特定波长而反射其他剩余波长光的结构能够成功地过滤出一种特定的颜色。

所述纳米圆盘阵列纳米圆盘按固定的间隙排列着，且该间隙小于可见光谱波长。

所述金属薄膜为铝、银或金等具有高反射率的金属。

所述硅超表面和硅基板为单晶硅、多晶硅或非晶硅等具有高折射率的介质材料。

所述硅超表面高度一致，使其能够在同一共振波长处同时实现电偶极子和磁偶极子的共振。

上述彩色滤光片的制备方法，首先用电子束光刻的方法在硅基板上形成基于纳米阵列的金属薄膜，然后用盖金属薄膜作为硬掩膜来刻蚀下方的硅，以实现一定高度的硅纳米阵列超表面，对于纳米阵列下方的金属薄膜通过沉积方式得到。

为了更好地激发共振，硅纳米圆盘的高度应大于50纳米小于200纳米，圆盘间隙应小于可见光谱最小波长400纳米。通过调整纳米圆盘直径从50纳米到180纳米，可以过滤出一系列连续变化的颜色。

对于上层金属薄膜，其厚度可以在20纳米到80纳米之间自由选择。为了保证两层金属薄膜之间没有等离子体共振耦合，下层金属薄膜应选择小于30纳米的厚度。

金属薄膜可以选择铝、银或金等具有高反射率的金属。位于两层金属薄膜之间的超表面还可以选择为二氧化钛、氮化硅等具有高折射率的介质材料。

一种显示器，包括上述彩色滤光片。

一种成像元件，包括上述彩色滤光片。

本发明的有益效果为：

(1)本发明具有超薄的厚度和稳定的性能，能够被地应用到各种显示成像器件中，进一步实现该器件的小型化；

(2)由于加入了具有高反射率的两层金属薄膜，大幅度地提高了传统的基于硅的反射型彩色滤光片的效率；

(3)位于硅超表面上下的两层基于纳米结构的金属薄膜能够有效地增强硅纳米盘内激发的共振模式，并且限制其朝高折射率的硅基板偏移，从而提高了硅纳米盘谐振器的品质因数，这种高品质因数反映了本发明中的彩色滤光片结构具有较窄的频谱带宽。综合上面提到的两个优点，包括高反射率和窄频谱带宽，本发明提出的彩色滤光片能够实现高度增强的色纯度和亮度。

(4)根据发明中利用到共振结构的特点，本发明能够通过简单地调整纳米圆盘的直径来实现全彩色的生成。

附图说明

图1是为本发明提出的具体实施方式的彩色滤光片结构的三维示意图。

图2是为本发明提出的具体实施方式的彩色滤光片结构的截面示意图。

图3是三种不同颜色的滤光片集成一起的截面示意图。

其中：1、位于上方的基于金属纳米圆盘阵列的金属薄膜；2、基于硅纳米圆盘阵列的硅超表面；3、位于下方的基于纳米多孔膜的金属薄膜；4、硅基板。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本发明提出的彩色滤光片的结构包括硅基板，基于硅纳米圆盘阵列的硅超表面，两层基于纳米结构的金属薄膜。其中，硅纳米圆盘阵列是生长在硅基板上。第一层金属薄膜是由金属纳米圆盘阵列组成，并且位于硅纳米圆盘阵列的上方。第二层金属薄膜是由纳米多孔膜组成，位于硅基板上方硅纳米圆盘之间的空隙中。

其中，超表面是由周期性紧密排列地亚波长谐振器阵列构成的一层超薄表面。

由于硅在可见光谱范围内具有相对高的折射率，所以每个硅纳米圆盘可以相当于一个纳米谐振器，能够同时产生由米氏散射引发的电偶极子和磁偶极子共振。在共振的波长处，储存在硅纳米圆盘的光能够有效地被耦合到具有同样高折射率的硅基板中，从而能够高度地抑制了光在共振波长处的反射。在可见光谱范围内，这种能够有效地吸收某个特定波长而反射其他剩余波长光的结构能够成功地过滤出一种特定的颜色。

如图1所示，彩色滤光片主要由上方的基于金属纳米圆盘阵列的金属薄膜1、中间的基于硅纳米圆盘阵列的硅超表面2、位于下方的基于纳米多孔膜的金属薄膜3和硅基板4组成。

如图2所示，对于硅超表面2和硅基板4，可以自由地选择单晶硅，多晶硅，非晶硅等具有高折射率的介质材料。首先合理地选择硅超表面2的高度，使其能够在同一共振波长处同时实现电偶极子和磁偶极子的共振。这样在可见光范围内只存在一个抑制反射的频段，从而保证了滤光片颜色的纯度。如图1的三维图所示，纳米圆盘按固定的周期排列着。为了防止瑞利异常衍射现象的发生，纳米圆盘阵列的周期应该选择小于可见光谱的波长。

纳米结构的金属薄膜1和金属薄膜3用来有效地改善现有技术的低效率和宽频谱带宽，从而提高彩色滤光片的色纯度和亮度。对于其材料的选择，可以考虑光学器件中常用的具有高反射率的铝，银，金等。另外，在加工中，可以首先用电子束光刻的方法在硅基板上形成基于金属纳米圆盘阵列的薄膜1。然后用金属薄膜1作为硬掩膜来刻蚀下方的硅，以实现一定高度的硅纳米盘。对于下方的金属膜3可以通过最后的沉积方式实现。

通过简单地调整纳米圆盘的直径大小，本实例中的彩色滤光片可以轻易地产生各种不同的颜色。如图3所示，在同一硅基板4上加工同周期但不同直径的纳米圆盘阵列，可以有效地实现不同颜色的彩色滤光片的集成。以这种方式，本实例中的彩色滤光片能够被广泛地应用到各种显示或图像器件中，并且极大地促进了该器件的小型化。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。