基于FP腔的纳米彩色介质：设计、制作及应用

摘要

绚丽多姿的色彩与人们的日常生活密不可分。人们肉眼看到的彩色图像或生物体实际上都是由一系列微小的彩色像素组成。然而，传统的彩色像素主要通过会造成环境污染且不稳定的有机染料获得，制约了其在实际生产生活中的应用。近年来，越来越多的研究人员探索利用结构色来呈现色彩。结构色是由于物体表面微纳结构的存在对光产生了散射、衍射和干涉等物理作用产生的颜色。研究表明，结构色像素由于具有不褪色、环保和虹彩效应等优点，在绿色印刷、成像、防伪、文件保密、纳米艺术、显示和数据存储等领域具有广阔的应用前景。随着科技的发展和产业的需求，开发具有高对比度及亮度的全彩结构色像素以及研发单片集成多彩结构色像素的新工艺是全彩印刷领域的重要研究方向。
　　本研究旨在基于薄膜干涉效应利用不对称法布里-珀罗（Fabry-Pérot，F-P）谐振腔结构来获得颜色丰富的结构色像素，并展示其在高分辨绿色全彩印刷领域的应用潜力。本论文主要研究内容及成果如下：
　　（1）设计了一种大面积、无需光刻的反射型滤色器，其结构由 Ni/SiO2/Al三层薄膜堆积构成。由于Ni的宽带吸收特性，该滤色器可选择性地反射可见光区域中特定波段的光，且在其它波长处具有最大吸收强度约为90％的超吸收特性。在该结构中，反射峰的位置可以通过控制SiO2介电层的厚度来调节，从而可在整个可见光频率获得许多具有高饱和度和亮度的颜色。结合灰度图形加工技术，利用这些反射型滤色器结构实现了高分辨率（超过50000 dpi）、高对比度的单片彩色印刷。
　　（2）基于像素化的金属-介电层-金属 F-P共振腔中的干涉效应，提出了一种全彩印刷概念。其中，用于打印的像素颜色由每个微型 F-P腔中的介电层厚度决定。采用灰度光刻技术，通过调节 F-P腔的填充密度和厚度获得了丰富且颜色饱和度和亮度可控的彩色像素。基于获得的广泛色域，通过打印算法将像素颜色与F-P腔的尺寸参数相关联，在微米尺度下以极高分辨率再现了生动的全彩图像。基于干涉效应的彩色像素不仅为使用人工结构进行彩色打印提供了新选择，同时结合灰度光刻、纳米压印和软光刻等图形复制技术有望实现大规模商业化生产。
　　（3）在相同介电层厚度下，通过精确控制不对称 F-P腔的大小和周期可极大地扩展颜色色域。换言之，即使不使用灰度曝光技术，也能获得色域覆盖整个可见光范围并具有不同色调、饱和度和亮度的干涉型彩色像素。由 F-P腔不同填充密度（即尺寸与周期的比值）引起的颜色变化可通过有效介质理论来解释。随着填充密度的减小，介电层的有效折射率降低，从而导致有效光路减少，最终导致反射峰与吸收峰的蓝移。相比于表面等离激元彩色像素，这些全彩干涉像素在加工制造、色域范围和颜色对比度等方面都表现出更大的优势。未来结合卷对卷压印、软光刻等复制技术，它们非常有潜力广泛应用于大规模的全彩印刷。
　　（4）我们采用超薄的 Pd作为损耗金属层，设计了一种不对称 F-P腔结构，并研究了其作为反射型滤色器和应用于氢气比色传感的性能和潜力。实验和数值模拟结果表明，基于超薄金属 Pd的 F-P腔能够产生宽范围且具有高对比度和亮度的反射色。在相长波长处的最大反射率可达90%，而在相消干涉波长处，滤色器对入射光能量接近完美吸收。在氢气环境下，Pd极易转变为 PdHx，由于这两种材料具有不同的光学性质，导致滤色器反射峰和吸收峰的位置发生了明显变化。研究结果表明，基于超薄金属 Pd的不对称 F-P腔滤色器有望作为一种智能的结构色像素广泛应用于彩色打印、氢气比色传感和光学防伪领域。

目录

声明

第1章 绪论

1.1颜色的基本理论

1.2结构色的生色机理

1.3结构色的应用前景

1.4本文的研究内容

第2章 研究方法

2.1时域有限差分（FDTD）方法

2.2纳米彩色介质的加工制备方法

2.3 微区反射光谱测试

2.4反射光谱与颜色之间的转换关系

第3章 一种以金属Ni为宽带吸收层的不对称Fabry-Pérot腔反射型滤色器

3.1 引言

3.2滤色器的结构设计

3.3实验部分

3.4 结果与讨论

3.5 本章小结

第4章 基于灰度图形化的Fabry-Pérot共振腔的微观干涉全彩印刷技术

4.1 引言

4.2 干涉型彩色像素的结构设计与制造

4.3 实验部分

4.4 结果和讨论

4.5 本章小结

第5章 基于Ni/SiO2/Al不对称Fabry-Pérot腔填充密度效应的全彩干涉像素

5.1 引言

5.2结构设计

5.3 实验部分

5.4 结果和讨论

5.4 本章小结

第6章 Pd基不对称Fabry-Pérot腔反射型滤色器及其在氢气比色传感中的应用

6.1 引言

6.2滤色器的结构设计

6.3实验部分

6.4 结果与讨论

6.5本章总结

结论

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文和参与的项目

附录B: 学术影响