基于可拉伸材料的動(dòng)態(tài)調(diào)諧彩色濾波器

馮 延，田 楠，王繼成，桑 田

(江南大學(xué) 理學(xué)院 光電科學(xué)與工程系, 江蘇 無(wú)錫 214122)

引言

近年來(lái)，彩色濾波器的研究受到廣泛關(guān)注，與色彩相關(guān)的光學(xué)元件和光學(xué)材料在實(shí)際中的應(yīng)用也非常廣泛，如成像領(lǐng)域，印刷領(lǐng)域，顯示領(lǐng)域等[1]。人工彩色顯示器常用的液晶材料，可以產(chǎn)生光學(xué)三原色，再通過(guò)進(jìn)一步的顏色疊加來(lái)形成繽紛的色彩[2-3]。目前在色彩調(diào)節(jié)方面已經(jīng)廣泛使用的電光活性材料諸如液晶[4-7]，石墨烯[8-11]，有機(jī)晶體[12-13]，金屬氧化物[14]等，一般可以通過(guò)施加不同的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)材料特性的變化，進(jìn)而對(duì)濾波效果實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。這種方式優(yōu)于傳統(tǒng)的利用有機(jī)染料或化學(xué)材料創(chuàng)造顏色的方法。除此之外，可以通過(guò)設(shè)計(jì)不同的器件結(jié)構(gòu)來(lái)獲取結(jié)構(gòu)色。昆蟲(chóng)[15]，鳥(niǎo)類[16]和其他某些生物[17-18]的內(nèi)部構(gòu)造就包含著結(jié)構(gòu)色的應(yīng)用，蝴蝶翅膀是經(jīng)典的例子[19]，不同色彩的產(chǎn)生取決于生物構(gòu)造的不同。器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是特殊光學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生的關(guān)鍵，常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)有金屬-介質(zhì)-金屬疊層結(jié)構(gòu)[20-22]，納米級(jí)狹縫結(jié)構(gòu)和金屬納米顆粒結(jié)構(gòu),亞波長(zhǎng)納米孔陣列等[23-25]。

本文設(shè)計(jì)了一種超薄，且具有超高反射率的可調(diào)濾波器結(jié)構(gòu)?；椎倪x擇是此設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵。我們注意到聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底，此材料可以進(jìn)行機(jī)械拉伸，可拉伸PDMS基底的適用頻率范圍已經(jīng)討論過(guò)，并且已經(jīng)證明，拉伸基底可以連續(xù)調(diào)節(jié)異常折射角，并且可以相應(yīng)地調(diào)節(jié)波前相位[26]。

1 濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在我們?cè)O(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中，等離子體納米棒附著在基板上，對(duì)基底進(jìn)行拉伸的同時(shí)納米棒的位置也被改變，并且每個(gè)納米棒所在位置的相位的連續(xù)性得以保證。關(guān)于納米棒的材料選擇，有機(jī)染料和化學(xué)顏料可以進(jìn)行成像和顯示，但分辨率并不能滿足當(dāng)前的需要，此外，這種材料不環(huán)保，難以回收[27-29]。常用材料一般有金和銀，但是金的成本比較昂貴，銀容易暴露于空氣被氧化而變質(zhì)。相比之下，鋁是一種穩(wěn)定且廉價(jià)的材料，但固有的金屬損耗會(huì)使顏色飽和度受到影響[30]。非晶硅對(duì)400 nm～500 nm波段的波吸收太強(qiáng)，這對(duì)全波段濾波的期望將會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響[31-34]。通過(guò)比較，本文在材料上選擇了無(wú)定形氧化鈦。一方面，在可見(jiàn)光波段氧化鈦造成的損耗基本上可以忽略不計(jì)；另一方面，氧化鈦的折射率在整個(gè)可見(jiàn)光范圍內(nèi)相對(duì)較高[35-36]，滿足對(duì)可見(jiàn)光范圍內(nèi)進(jìn)行全帶濾波的要求。

由此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是為了在可拉伸基底上生長(zhǎng)周期性的二氧化鈦納米柱，如圖1(a)所示。圖中的灰色部分是使用的可拉伸基底，納米柱陣列的不同顏色代表不同的尺寸,紅綠藍(lán)黃色分別代表半徑為127.5 nm,90 nm,82.5 nm,112.5 nm的二氧化鈦納米圓柱，襯底為聚合物(polymer)。在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，二氧化鈦納米柱的折射率隨光波頻率而變化[37]，如圖1(b)所示。四種不同的顏色曲線代表不同的基底材料，有聚碳酸酯(polycarbonate，PC)，聚乙烯醇((polyvinyl alcohol，PVA))，聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone，PVP),聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)，它們的折射率分別為1.52[38]，1.58[39]，1.46[40]，1.4[41]。從圖1(b)中可以看出，當(dāng)相同尺寸的二氧化鈦納米棒與不同材料的襯底相互耦合，器件整體的反射并不相同，以PC為襯底時(shí)的反射率僅小于0.3，以PVP為襯底的反射率約為0.85，以PVA和PDMS為襯底時(shí)具有超高的反射率，接近1。相比較而言，PDMS襯底與二氧化鈦納米棒結(jié)構(gòu)的耦合效果最好，因此接下來(lái)使用的基底材料都是PDMS。另一方面，納米柱的橫軸和納米柱的垂直軸的半軸長(zhǎng)度均為112.5 nm，納米柱的占空比為0.6。

圖1 濾波器結(jié)構(gòu)及其反射率比較Fig.1 Filter structure and comparison of four different substrates reflective effects: PDMS, PVA, PVP and PC

工藝制備方面，本文選擇了電子束蒸發(fā)沉積和剝離法，在PDMS基板上生長(zhǎng)納米柱，如圖1(c)所示[42]。第1步，需要在硅襯底上生長(zhǎng)氫倍半硅氧烷/聚甲基丙烯酸甲酯(HSQ/PMMA)雙層掩模。第2步，沉積二氧化鈦膜，這里使用的方法是電子束蒸發(fā)沉積法，然后將未固化的PDMS澆注到現(xiàn)有模型上。第3步，等待固化，等待固化過(guò)程結(jié)束以后剝離PDMS層，殘留在硅襯底上部分二氧化鈦并無(wú)影響，實(shí)驗(yàn)需要的是PDMS層和PDMS中留下的二氧化鈦。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先討論固定參數(shù)下的周期陣列，保持初始結(jié)構(gòu)的占空比不變，為0.6，周期范圍為270 nm～460 nm，并以5 nm的步長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算。如圖2(a)所示，選擇效果較好的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。綜合來(lái)看，7種不同周期的陣列結(jié)構(gòu)，在400 nm～800 nm的可見(jiàn)光波段中，均可以獲得反射率接近1的窄帶峰，并且每一條反射率曲線在整個(gè)可見(jiàn)光波段中有且僅有一個(gè)超高峰。圖2(a)中曲線的顏色表示相應(yīng)波段的光的顏色，從左到右依次為從藍(lán)光到紅光。

圖2 濾波器結(jié)構(gòu)的反射曲線和反射波彩色分布Fig.2 Reflection curve of fixed size filter structure and color distribution of reflected waves in CIE 1931

為了模擬這種結(jié)構(gòu)，需要控制納米柱尺寸和周期的同比變化。每個(gè)單元結(jié)構(gòu)中，納米柱的尺寸是確保占空比恒定的關(guān)鍵。此時(shí)使用的納米柱均為圓柱形。圖2(a)中右上角標(biāo)注表示7個(gè)不同的周期參數(shù)，具體到每個(gè)周期參數(shù)中，x方向上的周期和y方向上的周期保持一致。結(jié)果證明該結(jié)構(gòu)可以在可見(jiàn)光波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)全帶濾波，并且入射光幾乎可以被完全反射，繪制在1931CIE圖中形成了一個(gè)閉環(huán)，如圖2(b)所示，效果非常出色?；谏鲜鼋Y(jié)果以及可機(jī)械拉伸的基底，將靜態(tài)的初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行拉伸，以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)結(jié)構(gòu)向動(dòng)態(tài)調(diào)諧的轉(zhuǎn)變。如圖3所示，通過(guò)拉伸基底來(lái)改變納米柱的分布，占空比隨著拉伸不再保持固定。

圖3 x, y方向的拉伸和不同方向上反射隨周期參數(shù)的變化Fig.3 Tension in x, y directions and reflections varying with periodic parameters in different directions

動(dòng)態(tài)調(diào)諧則需要考慮水平軸x和垂直軸y兩個(gè)不同方向上的周期變化對(duì)濾波的影響。在x和y兩個(gè)方向均進(jìn)行拉伸，如圖3(a)所示。納米圓柱的半徑保持為120 nm，y方向的周期Py保持為400 nm，通過(guò)改變x方向上的周期Px，分析不同周期參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響。表1給出了x方向拉伸的具體結(jié)果，將x方向的周期參數(shù)設(shè)置為260 nm～460 nm，以5 nm步長(zhǎng)進(jìn)行分析，最終選擇了6組濾波效果良好的數(shù)據(jù)。圖3(b)中曲線的顏色仍然對(duì)應(yīng)于相應(yīng)波段的顏色，右上角圖注表示在x方向上的不同周期參數(shù)。當(dāng)x方向上的周期達(dá)到300 nm時(shí)，反射率略低，但也能夠達(dá)到0.8的高反射率。在整個(gè)可見(jiàn)光波段中，265 nm，300 nm，325 nm，375 nm，425 nm和450 nm的5個(gè)周期與反射波的波長(zhǎng)一一對(duì)應(yīng)，且互不干擾，基本上實(shí)現(xiàn)了從藍(lán)色到紅色的全波段濾波，而且峰值單一，帶寬極窄，在可見(jiàn)光波段中實(shí)現(xiàn)了良好的色彩分離。

表1 通過(guò)拉伸X方向周期值Px對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)等參數(shù)變化(此時(shí)Y方向周期值Py固定為Py=400 nm)Table 1 Changes of corresponding wavelength and other parameters with tension of periodic value Px in X direction(when periodic value Py in Y direction is fixed to Py=400 nm)

另一方面，表2給出了y方向拉伸的具體結(jié)果，保持納米圓柱尺寸和x方向上的周期恒定，改變y方向上的周期。如圖3(c)所示，繪制了340 nm，360 nm，400 nm，440 nm，450 nm等5個(gè)參數(shù)下的反射結(jié)果。圖3(c)中右上角的標(biāo)注代表周期參數(shù)。這里的曲線顏色與濾波所取的光波顏色無(wú)關(guān)，只是為了區(qū)分不同的參數(shù)。分析結(jié)果表明，5個(gè)參數(shù)在反射率方面相似，范圍從0.9～1，均達(dá)到超高反射。進(jìn)一步比較，黃色曲線的反射率是其中最高的，對(duì)應(yīng)于y方向上400 nm的周期參數(shù)。此外，5條曲線的峰值對(duì)應(yīng)的反射波的波長(zhǎng)沒(méi)有顯著變化，這意味著y方向上周期參數(shù)的變化對(duì)濾波效果幾乎無(wú)影響。綜合2個(gè)方向上的結(jié)果可以得到，y方向的周期性變化對(duì)濾波效果影響不大，x方向上的周期變化能夠?qū)崿F(xiàn)良好濾波效果，即對(duì)基底僅從x方向拉伸。

表2 通過(guò)拉伸Y方向周期值Py對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)等參數(shù)變化(此時(shí)X方向周期值Px固定為Px=400 nm)Table 2 Changes of corresponding wavelength and other parameters with tension of periodic value Py in Y direction(when periodic value Py in X direction is fixed to Px=400 nm)

提出的假設(shè)已得到驗(yàn)證，即通過(guò)拉伸基底進(jìn)行連續(xù)濾波具有可行性，并且只需要在x方向上進(jìn)行機(jī)械拉伸。此外還需要選擇最佳的納米柱尺寸。調(diào)整納米柱的尺寸，并通過(guò)計(jì)算與結(jié)果分析來(lái)優(yōu)化尺寸。基于前文，y方向上的最佳周期參數(shù)設(shè)定為400 nm，分別將納米柱的水平軸的半軸長(zhǎng)設(shè)定為97.5 nm～135 nm，這對(duì)應(yīng)于x方向上周期從300 nm～450 nm的變化，但是需要將每個(gè)單元結(jié)構(gòu)x方向上的周期控制為相同的400 nm，然后比較不同半軸長(zhǎng)度對(duì)效果的影響，如表2所示。

納米柱形狀并不局限于圓柱體，也考慮橢圓柱體，如圖4所示。

圖4 橢圓柱尺寸對(duì)濾波的影響Fig.4 Influence of elliptic cylinder size on filtering

從結(jié)果分析可以看出，112.5 nm，120 nm，127.5 nm和135 nm四種尺寸的結(jié)構(gòu)的濾波效果良好，反射率幾乎接近1，不同的橫軸長(zhǎng)度甚至能夠產(chǎn)生反射波的波段位置變化，但偏移不大，更值得關(guān)注的是不同尺寸納米柱的反射效果。最高反射率對(duì)應(yīng)的半軸長(zhǎng)為120 nm。此外，還優(yōu)化了縱軸的半軸長(zhǎng)度參數(shù)。效果最優(yōu)的納米柱尺寸是水平半軸長(zhǎng)120 nm，垂直半軸長(zhǎng)90 m。圖5(a)是設(shè)計(jì)的濾波器的工作示意圖。拉伸后單元結(jié)構(gòu)的周期變化范圍從300 nm～440 nm，連續(xù)拉伸，周期的變化也連續(xù)，如圖5(b)所示。當(dāng)周期拉伸至440 nm時(shí)，反射率下降至約0.56，雖然不能實(shí)現(xiàn)入射光的全部反射，但效果良好。由此可見(jiàn)，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)獲得了良好的色彩分離。

圖5 濾波器工作原理和納米柱濾波效果Fig.5 Schematic diagramof filter and filtering effect of elliptical nanocolumns at 120 nm～90 nm

在上述結(jié)構(gòu)中，納米柱的尺寸保持固定，即基底上的納米柱陣列是單一恒定的，假設(shè)這種統(tǒng)一被破壞，需要考慮對(duì)整體效果的影響?；谥暗墓ぷ鳎胁煌叽绲募{米柱可供選擇。選擇任意兩種不同尺寸的納米柱放置在相同的單元結(jié)構(gòu)中，并且在計(jì)算之前保持合理的占空比，保持基底固定，不進(jìn)行機(jī)械拉伸，探索固定結(jié)構(gòu)中不同尺寸納米柱組合的濾波效果。不同尺寸納米柱的選擇是多種多樣的，從形狀方面來(lái)看，有圓柱和圓柱的組合，橢圓柱和橢圓柱的組合，以及圓柱和橢圓柱的組合。

這里沒(méi)有詳細(xì)列出各種情況的計(jì)算結(jié)果，混色結(jié)構(gòu)并非任意混合即可有良好的效果，在其他的結(jié)構(gòu)混合中，可見(jiàn)光波段內(nèi)的反射波出現(xiàn)多峰，帶寬過(guò)寬等不良表現(xiàn)，甚至出現(xiàn)因結(jié)構(gòu)未能耦合使波形無(wú)規(guī)律振蕩等現(xiàn)象，在這里只選擇最優(yōu)解。在x方向上具有120 nm的半軸長(zhǎng)度，在y方向上具有90 nm長(zhǎng)度的納米橢圓柱，數(shù)量用a表示，以及具有90 nm半徑的納米圓柱，數(shù)量用b表示。x方向的周期為400 nm，y方向的周期為300 nm。圖6右上角的a：b代表一個(gè)單元結(jié)構(gòu)中兩種不同尺寸的納米柱的數(shù)量比，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖6中插圖所示，同一周期內(nèi)放置尺寸并不相同的兩種二氧化鈦納米柱。圖6中0-5,2-3,4-1和5-0是具有良好濾波效果的四種數(shù)量組合，圖6中曲線的顏色對(duì)應(yīng)濾波所取光波的顏色。事實(shí)上，0-5和5-0相當(dāng)于前文中模擬的單一固定的周期陣列。2-3和4-1兩種情況是真正的混合結(jié)構(gòu)，2-3結(jié)構(gòu)的反射率接近0.8，4-1結(jié)構(gòu)的反射率接近1，兩種結(jié)構(gòu)均能實(shí)現(xiàn)超高反射。這表明不同尺寸的納米柱的組合也可以實(shí)現(xiàn)良好濾波，這為濾波器的設(shè)計(jì)提供了更多的可能性。

圖6 混色結(jié)構(gòu)示意圖及其濾波效果Fig.6 Schematic diagram of mixed color structure and its filtering effect

設(shè)計(jì)的濾波器應(yīng)用示意圖如圖7所示。在具體的應(yīng)用中，將納米級(jí)的濾波器填充在所需變色的具體區(qū)域中進(jìn)行拉伸，發(fā)生形變的結(jié)果是周期參數(shù)被改變，對(duì)應(yīng)于不同的周期參數(shù)可以得到不同色彩的反射光，進(jìn)而令指定區(qū)域色彩發(fā)生變化。

圖7 可拉伸彩色濾波器的應(yīng)用效果示意圖Fig.7 Schematic diagram of stretchable color filter application effect

圖7(a)是背景色為白色的?；赵瓨?，圖中漢字與中心藍(lán)色部分用濾波器結(jié)構(gòu)搭建，圖7(b)是依次為青色，綠色，紅色的變色效果。

3 結(jié)論

可動(dòng)態(tài)調(diào)諧的濾波器應(yīng)用前景廣泛，本文提出了一種新穎的動(dòng)態(tài)調(diào)諧氧化鈦-PDMS濾波器結(jié)構(gòu)。相較于目前靜態(tài)調(diào)諧的濾波器的器件結(jié)構(gòu)一旦定型即無(wú)法更改的缺點(diǎn)，本文的動(dòng)態(tài)調(diào)諧結(jié)構(gòu)在器件定型后依然可以進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控。本文首先討論了固定結(jié)構(gòu)和固定占空比情況下的濾波效果，在275 nm～425 nm的周期參數(shù)設(shè)定下，固定結(jié)構(gòu)的濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)良好的濾波效果。但此種結(jié)構(gòu)存在不可動(dòng)態(tài)調(diào)諧的缺陷，本文提出了機(jī)械拉伸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)參數(shù)優(yōu)化確定了二氧化鈦納米柱的尺寸，橫縱半軸長(zhǎng)分別為120 nm和90 nm，確定了從x方向進(jìn)行拉伸。在300 nm～440 nm的周期變化中，提出的結(jié)構(gòu)相對(duì)形變率最高可達(dá)46.7%，濾波效果較好。隨著器件結(jié)構(gòu)的拉伸，反射波的波長(zhǎng)范圍覆蓋了475 nm～625 nm波段，實(shí)現(xiàn)了在可見(jiàn)光波段內(nèi)進(jìn)行全波段濾波的期望。最后，設(shè)計(jì)了混合結(jié)構(gòu)，在單元結(jié)構(gòu)中設(shè)置不同尺寸的納米柱，也實(shí)現(xiàn)了良好的濾波效果，為濾波器設(shè)計(jì)提供了更多可能。氧化鈦超表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)越，在高密度光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域，傳感領(lǐng)域，信息安全領(lǐng)域等具有較好的應(yīng)用前景。