【摘要】：相較于傳統(tǒng)的利用顏料或者染料制作彩色濾光片的工藝,基于微納結(jié)構(gòu)的彩色濾光片具有顏色鮮艷、污染小、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。彩色濾光片在平板顯示、裝飾印刷、傳感探測、信息存儲、防偽識別等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。隨著微納加工與制備技術(shù)的發(fā)展,基于微納結(jié)構(gòu)的彩色濾光片成為一個重要的研究方向。本文的研究內(nèi)容主要包含基于金屬-介質(zhì)薄膜結(jié)構(gòu)的彩色濾光片設(shè)計與測試,包括光學(xué)塔姆態(tài)共振效應(yīng)的原理、彩色濾光片結(jié)構(gòu)設(shè)計、各種數(shù)值模擬計算方法,以及彩色濾光片的制備和光譜測試。研究結(jié)果主要包括:基于光學(xué)塔姆態(tài)原理,我們設(shè)計了金屬-介質(zhì)結(jié)構(gòu)的透射式彩色濾光片。濾光片由兩種介質(zhì)材料交替形成的布拉格反射鏡(distributed bragg reflector,DBR)和中間金屬Ag層組成。利用傳輸矩陣法,我們初步仿真研究了Ag薄膜厚度和布拉格反射鏡的周期數(shù)對器件濾光特性的影響。通過改變介質(zhì)層的厚度,對輸出顏色實(shí)施控制,設(shè)計出一種高透射率、寬角度的薄膜型彩色濾光片。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)之后,我們分別采用有限元法、時域有限差分法、傳輸矩陣法進(jìn)行仿真計算。采用電子束蒸發(fā)的方法,我們制備了紅、綠、藍(lán)三色濾光片。并且測量了不同入射角度下的透射光譜,對彩色濾光片的濾光性能、顏色特性和角度特性進(jìn)行了分析。實(shí)際測量結(jié)果與理論設(shè)計一致。紅綠藍(lán)三種濾光片分別實(shí)現(xiàn)了76%,73%,64%的透射率。入射光角度在0~40°的范圍內(nèi)變化時,透射式濾光片表現(xiàn)出的顏色不隨入射角度的改變而發(fā)生變化。與其他亞波長周期光柵結(jié)構(gòu)相比,本文設(shè)計的透射式薄膜結(jié)構(gòu)彩色濾光片具有制作簡單、方便等優(yōu)勢。制作過程不需要刻蝕復(fù)雜的納米圖案,只需要簡單的鍍膜沉積工藝,適合大規(guī)模、大面積生產(chǎn)。與傳統(tǒng)的多層介質(zhì)薄膜干涉濾光片相比,基于金屬-介質(zhì)結(jié)構(gòu)的彩色濾光片在實(shí)現(xiàn)高透射率的同時也能適用于寬角度場合,并且在整個可見光波長范圍內(nèi)都有很好的應(yīng)用。
【圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文[12]。使用納米壓印的方法，不同顏色的濾光片可以制作在同一石英基底上，大大節(jié)省了成本。如圖 1-1 所示，通過調(diào)整光柵的周期 Λ 和占空比，分別得到透射率為 71.1%，58.1%和 59.3%的紅、綠、藍(lán)三色濾光片。依靠納米結(jié)構(gòu)中的光子或等離子體共振得到的結(jié)構(gòu)色，表現(xiàn)出高穩(wěn)定性、高空間分辨率、易擴(kuò)展性、尺寸小易于集成等優(yōu)點(diǎn)。但是這種一維亞波長光柵結(jié)構(gòu)對入射光偏振態(tài)具有選擇性，紅、綠濾光片的共振模式由 TM(Transverse magnetic)偏振光激發(fā)，而 TE(Transverse electric)偏振光入射實(shí)現(xiàn)藍(lán)光濾波特性，相應(yīng)的光能也會有所損失。

4華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文圖1-2 (a) 反射等離子體彩色濾光片結(jié)構(gòu)圖 (b)結(jié)構(gòu)頂部和側(cè)面掃描電鏡圖 (c) 測量的反射光譜和TM 入射光從 15°變化至 50°對應(yīng)的顏色[13]上述提出的基于一維亞波長光柵結(jié)構(gòu)對入射光的偏振態(tài)具有選擇性，，從而導(dǎo)致透過的光能產(chǎn)生部分損失。二維亞波長光柵結(jié)構(gòu)通常具有對稱性，TE、TM 偏振光都能有效激發(fā)共振模式。因此二維亞波長光柵結(jié)構(gòu)對入射光偏振態(tài)不敏感，光能利用率明顯提高。新加坡材料工程研究所 Karthik Kumar 提出了一種全彩色印刷的方法，利用光學(xué)衍射極限原理，將彩色信息編碼在背向反射層之上的銀/金納米盤結(jié)構(gòu)中[14]。單個顏色像素尺寸只有 250 nm×250 nm，分辨率約為每英寸 100000 點(diǎn)，已經(jīng)達(dá)到了彩色圖像印刷中的極限分辨率。該彩色濾光片單個像素由 4 個納米圓柱組成。基于表面等離子體共振和 Fano 共振[15]相互作用原理
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TH74

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