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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、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：

13、(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。

14、(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。

15、(3)制备而成的结构色功能纳米结构体积小且易于集成。

技术特征：

1.一种结构色功能纳米结构，包括：

2.根据权利要求1所述的结构色功能纳米结构，其中，所述金属膜的厚度为50～150nm；所述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。

3.根据权利要求1所述的结构色功能纳米结构，其中，所述超薄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。

4.根据权利要求1所述的结构色功能纳米结构，其中，所述金属纳米颗粒阵列呈周期排列，阵列周期介于150nm～400nm之间；所述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。

5.根据权利要求1所述的结构色功能纳米结构，其中，所述金属纳米颗粒的材料包括以下之一：金、银、铝或其他。

6.根据权利要求1所述的结构色功能纳米结构，其中，所述金属纳米颗粒的厚度为50～150nm，直径或边长介于60～200nm之间。

7.根据权利要求1所述的结构色功能纳米结构，其中，所述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。

8.一种如权利要求1～7中任一项所述的结构色功能纳米结构的制备方法，包括：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其中，所述第一预设厚度和所述第三预设厚度均为50～150nm；所述预设直径为60～200nm。

技术总结本发明提供了一种结构色功能纳米结构及其制备方法，其中，该结构包括：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。技术研发人员：史丽娜,王冲,牛洁斌,尚潇,李龙杰,陈生琼,谢常青,李泠,刘明受保护的技术使用者：中国科学院微电子研究所技术研发日：技术公布日：2024/1/12