本發(fā)明涉及一種基于硅超表面和納米結構金屬薄膜的彩色濾光片及應用。

背景技術：

反射型彩色濾光片作為一個不可缺少的元件被廣泛地應用到顯示成像器件，太陽能電池，彩色全息圖等領域中。相比與傳統(tǒng)的基于有毒染料的彩色濾光片，基于納米結構的彩色濾光片具有成本低，更環(huán)保，高穩(wěn)定性，并且能通過互補金屬氧化物半導體工藝實現(xiàn)等優(yōu)點。

作為半導體加工中最常用的材料，硅被認為是用來開發(fā)彩色濾光片最適合的材料。目前，現(xiàn)有技術基于硅的反射型彩色濾光片的開發(fā)主要是通過在硅基板上制造硅納米線和硅納米圓盤陣列。

硅納米線通常長達幾微米，但是只有幾十納米的直徑。這種極大的縱橫比導致基于其開發(fā)的彩色濾光片具有不可避免的性能不穩(wěn)定性，易碎性，并且大幅度地限制了包含彩色濾光片的各種器件的超小型化。

為了解決硅納米線存在的問題，超薄厚度的基于硅納米圓盤陣列的硅超表面被考慮用來開發(fā)高可靠性和超薄的彩色濾光片。但是，基于現(xiàn)有技術開發(fā)的彩色濾光片具有低反射率，色純度差，強信號干擾等缺點。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種基于硅超表面和納米結構金屬薄膜的彩色濾光片及應用，本發(fā)明能夠大幅地增大彩色濾光片的反射率，色純度和亮度并且能夠通過調(diào)整簡單的結構參數(shù)來實現(xiàn)全彩色的生成。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種基于硅超表面和納米結構金屬薄膜的彩色濾光片，包括硅基板，所述硅基板端面上設置有呈陣列分布的硅超表面，陣列式硅超表面上端、硅基板與陣列式硅超表面的連接空隙處，分別設置有一層基于納米結構的金屬薄膜。

優(yōu)選的，所述硅超表面為圓盤狀，形成硅納米圓盤陣列。

優(yōu)選的，所述硅基板與陣列式硅超表面之間的空隙中的金屬薄膜為納米多孔膜。

所述陣列分布的硅超表面，每個硅超表面相當于一個納米諧振器，能夠同時產(chǎn)生由米氏散射引發(fā)的電偶極子和磁偶極子共振。

通過設置硅納米圓盤陣列超表面的直徑，所述彩色濾光片在可見光譜范圍內(nèi)，能夠吸收某個特定波長而反射其他剩余波長光的結構能夠成功地過濾出一種特定的顏色。

所述納米圓盤陣列納米圓盤按固定的間隙排列著，且該間隙小于可見光譜波長。

所述金屬薄膜為鋁、銀或金等具有高反射率的金屬。

所述硅超表面和硅基板為單晶硅、多晶硅或非晶硅等具有高折射率的介質(zhì)材料。

所述硅超表面高度一致，使其能夠在同一共振波長處同時實現(xiàn)電偶極子和磁偶極子的共振。

上述彩色濾光片的制備方法，首先用電子束光刻的方法在硅基板上形成基于納米陣列的金屬薄膜，然后用蓋金屬薄膜作為硬掩膜來刻蝕下方的硅，以實現(xiàn)一定高度的硅納米陣列超表面，對于納米陣列下方的金屬薄膜通過沉積方式得到。

為了更好地激發(fā)共振，硅納米圓盤的高度應大于50納米小于200納米，圓盤間隙應小于可見光譜最小波長400納米。通過調(diào)整納米圓盤直徑從50納米到180納米，可以過濾出一系列連續(xù)變化的顏色。

對于上層金屬薄膜，其厚度可以在20納米到80納米之間自由選擇。為了保證兩層金屬薄膜之間沒有等離子體共振耦合，下層金屬薄膜應選擇小于30納米的厚度。

金屬薄膜可以選擇鋁、銀或金等具有高反射率的金屬。位于兩層金屬薄膜之間的超表面還可以選擇為二氧化鈦、氮化硅等具有高折射率的介質(zhì)材料。

一種顯示器，包括上述彩色濾光片。

一種成像元件，包括上述彩色濾光片。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明具有超薄的厚度和穩(wěn)定的性能，能夠被地應用到各種顯示成像器件中，進一步實現(xiàn)該器件的小型化；

(2)由于加入了具有高反射率的兩層金屬薄膜，大幅度地提高了傳統(tǒng)的基于硅的反射型彩色濾光片的效率；

(3)位于硅超表面上下的兩層基于納米結構的金屬薄膜能夠有效地增強硅納米盤內(nèi)激發(fā)的共振模式，并且限制其朝高折射率的硅基板偏移，從而提高了硅納米盤諧振器的品質(zhì)因數(shù)，這種高品質(zhì)因數(shù)反映了本發(fā)明中的彩色濾光片結構具有較窄的頻譜帶寬。綜合上面提到的兩個優(yōu)點，包括高反射率和窄頻譜帶寬，本發(fā)明提出的彩色濾光片能夠實現(xiàn)高度增強的色純度和亮度。

(4)根據(jù)發(fā)明中利用到共振結構的特點，本發(fā)明能夠通過簡單地調(diào)整納米圓盤的直徑來實現(xiàn)全彩色的生成。

附圖說明

圖1是為本發(fā)明提出的具體實施方式的彩色濾光片結構的三維示意圖。

圖2是為本發(fā)明提出的具體實施方式的彩色濾光片結構的截面示意圖。

圖3是三種不同顏色的濾光片集成一起的截面示意圖。

其中：1、位于上方的基于金屬納米圓盤陣列的金屬薄膜；2、基于硅納米圓盤陣列的硅超表面；3、位于下方的基于納米多孔膜的金屬薄膜；4、硅基板。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

本發(fā)明提出的彩色濾光片的結構包括硅基板，基于硅納米圓盤陣列的硅超表面，兩層基于納米結構的金屬薄膜。其中，硅納米圓盤陣列是生長在硅基板上。第一層金屬薄膜是由金屬納米圓盤陣列組成，并且位于硅納米圓盤陣列的上方。第二層金屬薄膜是由納米多孔膜組成，位于硅基板上方硅納米圓盤之間的空隙中。

其中，超表面是由周期性緊密排列地亞波長諧振器陣列構成的一層超薄表面。

由于硅在可見光譜范圍內(nèi)具有相對高的折射率，所以每個硅納米圓盤可以相當于一個納米諧振器，能夠同時產(chǎn)生由米氏散射引發(fā)的電偶極子和磁偶極子共振。在共振的波長處，儲存在硅納米圓盤的光能夠有效地被耦合到具有同樣高折射率的硅基板中，從而能夠高度地抑制了光在共振波長處的反射。在可見光譜范圍內(nèi)，這種能夠有效地吸收某個特定波長而反射其他剩余波長光的結構能夠成功地過濾出一種特定的顏色。

如圖1所示，彩色濾光片主要由上方的基于金屬納米圓盤陣列的金屬薄膜1、中間的基于硅納米圓盤陣列的硅超表面2、位于下方的基于納米多孔膜的金屬薄膜3和硅基板4組成。

如圖2所示，對于硅超表面2和硅基板4，可以自由地選擇單晶硅，多晶硅，非晶硅等具有高折射率的介質(zhì)材料。首先合理地選擇硅超表面2的高度，使其能夠在同一共振波長處同時實現(xiàn)電偶極子和磁偶極子的共振。這樣在可見光范圍內(nèi)只存在一個抑制反射的頻段，從而保證了濾光片顏色的純度。如圖1的三維圖所示，納米圓盤按固定的周期排列著。為了防止瑞利異常衍射現(xiàn)象的發(fā)生，納米圓盤陣列的周期應該選擇小于可見光譜的波長。

納米結構的金屬薄膜1和金屬薄膜3用來有效地改善現(xiàn)有技術的低效率和寬頻譜帶寬，從而提高彩色濾光片的色純度和亮度。對于其材料的選擇，可以考慮光學器件中常用的具有高反射率的鋁，銀，金等。另外，在加工中，可以首先用電子束光刻的方法在硅基板上形成基于金屬納米圓盤陣列的薄膜1。然后用金屬薄膜1作為硬掩膜來刻蝕下方的硅，以實現(xiàn)一定高度的硅納米盤。對于下方的金屬膜3可以通過最后的沉積方式實現(xiàn)。

通過簡單地調(diào)整納米圓盤的直徑大小，本實例中的彩色濾光片可以輕易地產(chǎn)生各種不同的顏色。如圖3所示，在同一硅基板4上加工同周期但不同直徑的納米圓盤陣列，可以有效地實現(xiàn)不同顏色的彩色濾光片的集成。以這種方式，本實例中的彩色濾光片能夠被廣泛地應用到各種顯示或圖像器件中，并且極大地促進了該器件的小型化。

上述雖然結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。