结构色功能纳米结构及其制备方法

本发明涉及结构色领域，具体地，涉及一种结构色功能纳米结构及其制备方法。

背景技术：

颜色对于感知和识别人们日常生活中的物体来说至关重要。传统上，采用有机染料或者化学颜料选择性吸收可见光来产生颜色，可见光的波长由分子的离散能级之间的跃迁频率决定。为了克服传统颜料和染料低分辨率(低于1000dpi)和环境污染的缺点，人们提出了结构色的概念。与颜料相比，结构色依赖于材料纳米尺度的不均匀性产生的光的散射和干涉，而不是其化学性质，具有分辨率高的优点。目前，已经广泛研究了由亚波长纳米颗粒(作为光学谐振器)组成的像素生成颜色和图像的情况，纳米颗粒的米氏共振及其在有序或无序的排列中的干涉，可以产生明亮的结构颜色。结构色已经在包括彩色像素，滤光片，防伪和敏感生物探测器等应用中使用。

利用金属纳米颗粒与光相互作用时产生的表面等离子体共振性质，可以形成颜色丰富的结构色。然而，表面等离子体波的振荡使金属纳米颗粒在可见光波段存在不可忽视的高损耗。

为了解决金属纳米颗粒的高损耗，研究人员提出了采用高折射率和低损耗的介质纳米颗粒。但是，对于介质纳米颗粒而言，进一步提高色彩分辨率也存在很大困难，根据标准mie理论，磁偶极共振的波长λ与si纳米球的直径d的关系为λ＝nd可知(n为折射率)，介质纳米颗粒形成的结构色像素受限于介质纳米颗粒的直径。此外，由于电偶极子和磁偶极子共振在明场和暗场照明中同时被激发，所以色彩纯度会受限于宽带散射光。因此，亟需设计并制作出一种具有更高分辨率和更高纯度的结构色纳米结构。

技术实现要素：

有鉴于此，为了解决现有技术中结构色像素受限以及纯度低等问题，本发明提供了一种结构色功能纳米结构及其制备方法，以形成高分辨率和高纯度的结构色。

为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种结构色功能纳米结构，包括：介质衬底；位于介质衬底上的超表面结构，用于选择性的反射入射光；其中，超表面结构包括：金属膜，位于介质衬底上；介质层，位于金属膜上；金属纳米颗粒阵列，位于介质层上。

根据本发明的实施例，其中，金属膜的厚度为50～150nm；金属膜的材料包括以下之一：金、银、铝或其他具有表面等离子共振特性的金属。

根据本发明的实施例，其中，介质层的厚度为2～20nm；介质层的材料包括以下之一：氧化铝、氧化硅、氧化钛、碳化硅、氮化硅。

根据本发明的实施例，其中，金属纳米颗粒阵列呈周期排列，阵列周期介于150nm～400nm之间；金属纳米颗粒的形状包括以下至少之一：圆柱、方柱、多边形柱。

根据本发明的实施例，其中，金属纳米颗粒的材料包括以下之一：金、银、铝或其他具有表面等离子共振特性的金属。

根据本发明的实施例，其中，金属纳米颗粒的厚度为50～150nm，直径或边长介于60～200nm之间。

根据本发明的实施例，其中，介质衬底的材料为以下之一：硅、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、蓝宝石。

另一方面，本发明还提供了一种结构色功能纳米结构的制备方法，包括：提供一介质衬底；在介质衬底上形成用于选择性的反射入射光的超表面结构；其中，形成超表面结构包括：在介质衬底上沉积第一预设厚度的金属膜；在金属膜上沉积第二预设厚度的介质层；在介质层上形成第三预设厚度和预设直径的金属纳米颗粒阵列。

根据本发明的实施例，其中，沉积方式包括以下至少之一：离子束溅射、磁控溅射、电子束蒸发、原子层沉积、自氧化。

根据本发明的实施例，其中，第一预设厚度和第三预设厚度均为50～150nm；第二预设厚度为2～20nm；预设直径或边长为60～200nm。

通过上述发明的技术方案可知，本发明提供的结构色功能纳米结构及其制备方法具有以下有益效果：

(1)超薄介质层中可以存在窄带吸收的等离激元光学模式，即可以完全吸收某一波长的光，且由于超薄介质层形成了波导模式而具有独特的散射特性。在这种情况下，具有大吸收截面的金属纳米结构有利于光的操纵和结构颜色的产生,因此基于超薄介质层的结构色功能超表面结构具有分辨率高，纯度高的优点。

(2)金属表面等离子体可以将光限制在远小于波长的区域，所以作为像素单元的金属纳米颗粒直径可以远小于光波长，而介质纳米颗粒的直径d受限于公式d＝λ/n，此处λ为波长，n为折射率。

(3)制备而成的结构色功能纳米结构体积小且易于集成。

附图说明

图1示意性示出了本发明实施例的结构色功能纳米结构的剖面结构示意图；

图2示意性示出了本发明实施例的结构色功能纳米结构的俯视结构示意图；

图3(a)示意性示出了本发明实施例的结构色功能纳米结构的制备方法流程图；

图3(b)示意性示出了本发明实施例的形成超表面结构的制备方法流程图；

图4示意性示出了本发明实施例一的结构色功能纳米结构的超表面结构图；

图5示意性示出了本发明实施例二的结构色功能纳米结构的超表面结构图。

【附图符号说明】

介质衬底1；金属膜2；超薄介质层3；金属纳米颗粒阵列4。

具体实施方式

本发明通过采用金属膜-超薄介质层-金属纳米颗粒阵列三层结构形成超表面结构，其利用超薄介质层中表面等离子体的独特的散射特性，不同半径的金属纳米颗粒的反射谱特性不同，根据需要制作不同结构参数的金属纳米结构，满足不同颜色的图形显示，从而提出了一种结构色功能纳米结构及其制备方法，该制备方法与传统道德半导体工艺兼容，制造工艺简单，易于集成。

需要说明的是，单词“包含”“包括”等不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件，“介于…之间”也包括两端的数值。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种结构色纳米结构。图1示意性示出了本发明实施例的结构色功能纳米结构的剖面结构示意图。

如图1所示，本发明提供的一种结构色纳米结构，包括：介质衬底1和超表面结构。其中，超表面结构包括：金属膜2、介质层3、金属纳米颗粒阵列4。

在本发明的实施例中，超表面结构位于介质衬底1上，具体地，

金属膜2位于介质衬底1上；

介质层3位于金属膜2上，介质层为超薄介质层，厚度为2～20nm，优选为10nm；

金属纳米颗粒阵列4位于介质层3上。

根据本发明的实施例，介质衬底1可以是能够制作衬底的各种材料，可以为硅、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、蓝宝石等中的一种。

根据本发明的实施例，超表面结构可以采用金属膜2-介质层3-金属纳米颗粒阵列4的三层结构形成，用于选择性的反射入射光，形成丰富的颜色。

根据本发明的实施例，金属膜2的材料包括以下之一：金、银、铝或其他具有表面等离子共振特性的金属；金属膜的厚度可以为50～150nm。

根据本发明的实施例，介质层3为超薄介质层，其厚度为2～20nm，可选为5nm、10nm；介质层3的材料为透明介质，可以包括以下之一：氧化铝、氧化硅、氧化钛、碳化硅、氮化硅。

根据本发明的实施例，介质层3为超薄介质层，其中存在窄带吸收的等离激元光学模式，可以完全吸收某一波长的光，基于该超薄介质层的结构色功能超表面结构具有分辨率高、纯度高的优点。

根据本发明的实施例，金属纳米颗粒阵列4的材料包括以下之一：金、银、铝或其他具有表面等离子共振特性的金属。

根据本发明的实施例，金属纳米颗粒阵列4呈周期性排列，金属纳米颗粒直径不同。

例如，图2示意性示出了本发明实施例的结构色功能纳米结构的俯视结构示意图。

如图2所示，金属纳米颗粒阵列4呈周期性排列，在x和y方向，两个金属纳米颗粒的中心点之间的距离为一个阵列周期p，或者，一个金属纳米颗粒直径与两个金属纳米颗粒之间的间隙之和为一个阵列周期p。d为金属纳米颗粒的直径。

根据本发明的实施例，金属纳米颗粒阵列4的阵列周期介于150nm～400nm之间，优选为160nm；金属纳米颗粒的厚度为50～150nm，直径介于60～200nm之间。

根据本发明的实施例，由金属膜2-介质层3-金属纳米颗粒阵列4的三层结构形成的超表面结构，随着金属纳米颗粒直径的不同可以产生不同的颜色。

根据本发明的实施例，金属纳米颗粒的形状包括以下至少之一：圆柱、方柱、多边形柱。

需要说明的是，图2中所示的金属纳米颗粒的形状只是示例性的，而并非是限制本发明的金属纳米颗粒的形状。

根据本发明的实施例，通过采用在介质衬底上形成由金属膜-超薄介质层-金属纳米颗粒阵列三层结构形成超表面结构，利用超薄介质层形成了波导模式而具有的独特的散射特性，解决了现有技术中像素受限和纯度低的技术问题，使得制备的基于超薄介质层的结构色功能超表面结构具有分辨率高，纯度高，损耗低的优点。

本发明还提供了一种结构色功能纳米结构的制备方法。图3(a)示意性示出了本发明实施例的结构色功能纳米结构的制备方法流程图；图3(b)示意性示出了本发明实施例的形成超表面结构的制备方法流程图。

如图3(a)所示，该方法包括操作s301～s302。

在操作s301，提供一介质衬底。

根据本发明的实施例，介质衬底可以是能够制作衬底的各种材料，可以为硅、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、蓝宝石等中的一种；在形成超表面结构之前，需要对介质衬底进行清洗，以去除介质衬底表面的杂质。

在操作s302，在介质衬底上形成用于选择性的反射入射光的超表面结构。

在本发明的实施例中，形成超表面结构还包括操作s302-1～s302-3，如图3(b)所示。

在操作s302-1，在介质衬底上沉积第一预设厚度的金属膜。

根据本发明的实施例，第一预设厚度是金属膜的厚度，为50～150nm，金属膜的材料为金、银、铝或其他具有表面等离子共振特性的金属的一种。

在操作s302-2，在金属膜上沉积第二预设厚度的介质层。

根据本发明的实施例，第二预设厚度是介质层的厚度，为2～20nm，介质层为超薄介质层，介质层的材料为氧化铝、氧化硅、氧化钛、碳化硅、氮化硅的一种。

在操作s302-3，在介质层上形成第三预设厚度和预设直径的金属纳米颗粒阵列。

根据本发明的实施例，第三预设厚度是金属纳米颗粒的厚度，为50～150nm，预设直径或边长介于60～200nm之间，超表面结构随着金属纳米颗粒大小的不同可以产生不同的颜色。

根据本发明的实施例，上述制备方法的沉积方式包括以下至少之一：离子束溅射、磁控溅射、电子束蒸发、原子层沉积、自氧化。

根据本发明的实施例，通过标准的半导体工艺，在介质衬底上形成金属膜，超薄介质层以及金属纳米颗粒阵列，从而制备的基于超薄介质层的结构色功能纳米结构，体积小且易于集成。相对于介质纳米结构，超薄介质层由于形成了波导模式而具有独特的散射特性。因此基于超薄介质层的结构色功能超表面结构具有分辨率高，损耗低的优点。

根据本发明的实施例，还提供了具体实施例，应当注意，这些具体实施例的描述只是示例性的，而并非要限制本发明的保护范围。

实施例1

在该实施例中，介质衬底的材料采用硅衬底，金属膜的材料采用银，超薄介质层的材料采用氧化硅，金属纳米颗粒的材料采用铝，制备方法如下：

清洗硅衬底；

在硅衬底上通过磁控溅射工艺沉积生长厚度为120nm的金属银膜；

在金属银膜上通过磁控溅射工艺沉积生长厚度为5nm的超薄介质层氧化硅；

在超薄介质层氧化硅表面旋涂厚度为150nm的pmma电子束光刻胶，并通过电子束光刻技术在pmma电子束光刻胶上形成圆孔阵列，阵列周期280nm，圆孔的直径60～200nm；通过电子束蒸发的方法，在pmma光刻胶图形上沉积厚度为50nm的金属铝；剥离去胶，最终形成铝纳米颗粒阵列。

例如，图4示意性示出了本发明实施例一的结构色功能纳米结构的超表面结构图。从图4可以看出，金属纳米颗粒呈现圆孔阵列，且金属纳米颗粒的直径不同，金属纳米颗粒直径介于60～200nm。

实施例2

在该实施例中，介质衬底的材料采用二氧化硅衬底，金属膜的材料采用铝，超薄介质层的材料采用氧化铝，金属纳米颗粒的材料采用铝，制备方法如下：

清洗二氧化硅衬底；

在二氧化硅衬底上通过电子束蒸发厚度为100nm的金属铝膜；

将金属铝膜放置在空气中自氧化生成厚度为3nm的超薄介质层氧化铝；

在超薄介质层氧化铝表面旋涂厚度为150nm的pmma电子束光刻胶，并通过电子束光刻技术在pmma电子束光刻胶上形成方孔阵列，阵列周期200nm，方孔的边长为130nm；通过电子束蒸发的方法，在pmma光刻胶图形上沉积厚度为50nm的金属铝；剥离去胶，最终形成铝纳米颗粒阵列。

例如，图5示意性示出了本发明实施例一的结构色功能纳米结构的超表面结构图。从图5可以看出，金属纳米颗粒呈现方形阵列，且金属纳米颗粒的宽度不同，阵列周期为一个金属纳米颗粒与两个金属纳米颗粒之间的间隙之和。

实施例3

在该实施例中，介质衬底的材料采用硅衬底，金属膜的材料采用银，超薄介质层的材料采用氧化硅，金属纳米颗粒的材料采用铝，制备方法如下：

清洗硅衬底；

在硅衬底上通过磁控溅射工艺沉积生长厚度为100nm的金属银膜；

在金属银膜上通过磁控溅射工艺沉积生长厚度为5nm的超薄介质层氧化硅；

在超薄介质层氧化硅上通过离子束溅射工艺沉积生长厚度为50nm的金属铝膜；

在金属铝膜表面旋涂厚度为150nm的zep电子束光刻胶，并通过电子束光刻技术在zep电子束光刻胶上形成圆柱阵列；通过干法刻蚀的方法，将zep电子束光刻胶上的光刻胶图形转移到下层金属铝膜上面，最终形成铝纳米颗粒阵列。

由于实施例3的金属纳米颗粒的微观结构图与实施例1相同，都为圆形阵列(实质是圆柱形阵列)，因此不再列出。需要说明的是，以上三个具体实施例只是示例性的，而并非是限制本发明。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。