[发明专利]一种基于矩形晶格排列的彩色滤光片及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及彩色滤光片技术领域，尤其涉及一种基于矩形晶格排列的彩色滤光片及其制备方法和应用。所述滤光片结构为：包括透明衬底，透明覆盖层和纳米柱，所述纳米柱固定在透明衬底的表面上，所述透明覆盖层填充在纳米柱之间，且将纳米柱包覆在透明覆盖层中；纳米柱形成的阵列呈矩形晶格排列，且相邻纳米柱之间的距离和相邻两排纳米柱之间的最短距离不相等。本发明的矩形晶格能够独立地改变超表面的横向和纵向周期，从而实现对透射光谱和滤出颜色更为细致地调控，最终获得具有更高色彩饱和度的彩色滤光片。其次，通过引入矩形晶格，即将超表面的横向和纵向周期设置为不同的值，该结构能够展现出优异的周期不敏感特性，从而提高彩色滤光片的稳定性。

技术领域

本发明涉及彩色滤光片技术领域，尤其涉及一种基于矩形晶格排列的彩色滤光片及其制备方法和应用。

背景技术

本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

超表面是一种由密集排列的等离子体纳米结构或者高折射率纳米颗粒构成的超薄二维光学平面结构。作为传统三维超材料的替代方案，超表面有易于制造、高度紧凑性以及能与其他光学或电子器件集成的显着优势，因此在高分辨率彩色滤光片、结构色打印、显示等应用中获得了迅速的关注。为实现高效率透射式显示/成像设备，基于超表面的彩色滤光片需要在透射模式下提供高透射率和高饱和度的颜色滤出。在先前的报道中，超高分辨率结构彩色通常利用基于金属纳米结构的等离子体超表面来实现，尤其在反射模式中能够提供显著的颜色响应。然而，等离子体表面由于具有不可避免的传导损耗，难以获得高透射率的颜色，严重限制了它们在透射型器件中的潜在应用。为克服等离子体超表面带来的传导损耗，基于高折射率纳米颗粒谐振腔的全介质超表面获得了极大关注，且被认为是获得高透射彩色的最佳方法之一。但，目前报道的全介质超表面受限于其在短波长处的高损耗仍主要工作在反射模式下，并未展现出全介质超表面能够实现高透射效率的潜在优势。氢化非晶硅不仅可以提供较低的吸收损耗以及较高的折射率，且能够容易沉积到透明衬底上，因此被认为是实现透射型彩色滤光片的最佳材料。

此外，报道的全介质超表面结构主要基于按正方形晶格排列的纳米颗粒。在这些工作中，主要通过改变纳米颗粒的几何形状来实现光谱和共振波长的调控。周期，作为纳米颗粒阵列中另一个常见的参数，则被认为对光谱和颜色响应的影响很小。最近一些研究表明，只有当周期在极小范围内变化时，上述结论才成立，这意味着滤光片产生的颜色基本上具有很强的周期敏感特性。进一步地，本发明人研究发现：由于在加工制造过程中很难实现对周期的精确控制，所以通常精心设计的彩色滤光片并不能稳定地实现和设计一样的具有高饱和度的颜色响应。

发明内容

本发明主要集中解决目前超高分辨率彩色滤光片存在的以下两个主要技术问题：

首先，当前利用等离子体或者硅超表面实现的超高分辨率彩色滤光片主要工作在反射模式下，这是因为等离子体超表面无可避免的传导损耗或者硅超表面在短波长处的高光吸收率，具有高饱和度、高效率的透射式彩色滤光片的实现仍面临巨大挑战，阻碍了其在超高分辨率、高效显示中的应用。

其次，目前提出的基于正方形晶格排列(横纵等周期)的超表面结构具有强烈的周期敏感特性，即随着周期的变化，光谱和相应的共振波长都会发生变化，从而导致最后滤出的颜色发生变化。因此，考虑到实际加工中的误差，设计的彩色滤光片的这种较差结构稳定性，难以实现该滤光片的大批量生产。

为了克服上述提到的两个技术难题，本发明提出了一种基于矩形晶格排列的彩色滤光片及其制备方法。首先，和传统采用的具有相同横向和纵向周期的正方形晶格排列的超表面相反，本发明设计的矩形晶格能够独立地改变超表面的横向和纵向周期，从而实现对透射光谱和滤出颜色更为细致地调控，最终获得具有更高色彩饱和度的彩色滤光片。其次，通过引入矩形晶格，即将超表面的横向和纵向周期设置为不同的值，该结构能够展现出优异的周期不敏感特性，从而提高彩色滤光片的稳定性。