近日，湖南大学段辉高教授与新加坡科技设计大学Joel K. W. Yang教授、新加坡国立大学仇成伟教授以及德国海德堡大学Na Liu教授等合作，开发了一类基于台阶式纳米谐振腔的全彩滤光片微阵列并展示了其全彩微印刷应用前景，相关成果以“Stepwise-nanocavity-assisted Transmissive Color Filter Array Microprints”为题发表在《Research》上。
研究背景
彩色滤光片在光电系统、显示器、图像传感器等领域有不可替代的重要作用，基于传统颜料或染料制作的滤光片，存在稳定性较差、使用寿命较短、分辨率难以提高等问题。近些年来，基于人工微纳结构的结构色因其环境友好、不褪色、高分辨、易集成的特点吸引了研究人员及产业界的广泛兴趣。然而，目前绝大多数的研究是通过改变纳米结构的尺寸、形状和排列等面内参数来实现颜色调控，而很少利用垂直方向自由度通过高度的变化来调控干涉光颜色。
研究难点
基于干涉原理的透射式滤光单元相比于目前研究最多的等离激元金属纳米结构，其色域更广以及颜色对比度更高。但要实现单片集成，必须要在单个衬底上做出不同高度的纳米台阶谐振腔，同时要解决多层薄膜的工艺兼容问题，制造工艺十分具有挑战性。
研究进展
近日，湖南大学段辉高教授课题组和新加坡科技设计大学Joel K. W. Yang教授、新加坡国立大学仇成伟教授及德国海德堡大学Na Liu教授等人开展合作，通过优化的电子束灰度光刻工艺，实现了极高分辨的干涉式彩色滤光片微阵列。该滤光片阵列示意图如图1（a）和1（b）所示，其核心单元为不对称FP腔结构（Ag/SiO2/Ag）。 FP腔中介质的厚度决定了透射光谱中透射峰的位置及所获得结构色像素的色调。制造工艺中，要通过HSQ抗蚀剂（可转变为SiOx介质）替换FP腔结构中SiO2介电层。这样，一方面可通过调节电子束对HSQ的曝光剂量改变介质层SiOx的高度，另一方面也可通过调节单个像素中FP腔的填充密度来改变介电层的有效折射率，使得FP腔中光发生干涉的光程差得以较精准的调控，从而实现宽色域的全彩色滤光片微阵列（图1（c）,1（d））。
图1（a）单片集成干涉式全彩滤光片的结构示意图；（b）采用的FP腔截面示意图；（c）通过调节FP腔的厚度和填充密度实现的全彩调色板；（d）对应的CIE1931色度坐标图。
未来展望
宽色域、良好饱和度的彩色滤色片微阵列使得印刷高分辨全彩色微画成为可能，如图2所示。除此之外，实验结果表明，即使当像素被缩小到500 nm时，像素化FP腔的颜色呈现能力仍然可以保持，相关的数值模拟结果展示，该类微滤光片阵列也有着较好的抗颜色串扰能力，因此有望在显微光谱仪及高分辨图像传感系统中得以应用。
图2 基于干涉式微型滤光片在微米尺度下重现“生如夏花”及毕加索“朵拉·玛尔的肖像（1937）”
两江科技评论
精彩回顾
5. Nature Materials：室温下中红外石墨烯等离子体的高效电学检测
7. 绿色柔性电子器件衬底最新进展：可降解“透明纸”的低成本制备
8. 南大Nat. Photonics：激光“雕刻”3D非线性光子晶体
编辑：冯元会
审核：颜学俊
免责声明：本文旨在传递更多科研信息及分享，提供志同道合者的交流平台。如涉及侵权，请联系下方邮箱，我们将及时进行修改或删除。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
邮箱：zunzun@imeta-center.com
微信号：Maysun1992