一种基于有效介质理论的超薄彩色滤光片及制备方法技术

本发明专利技术提出了一种基于有效介质理论的超薄彩色滤光片及制备方法，涉及光学元件技术领域，基于有效介质理论的超薄彩色滤光片由第一有损介质层、第二层有损介质层和金属反射衬底依次叠加而成；第一有损介质层和第二层有损介质层，选用两种具有不同折射率的材料，基于有效介质理论，调控两层有损介质层的厚度，得到高折射率实部、折射率虚部在0.6的理想等效折射率；本发明专利技术，通过选择合适的有损介质材料组合和改变各有损介质层的厚度，自由调控其等效后的准均匀单层薄膜的有效折射率以获得理想值，设计出色彩饱和度明显增强的超薄彩色滤光片，从而实现高性能彩色滤光片高色彩饱和度、制备简单、大尺寸、角度不敏感的目标。大尺寸、角度不敏感的目标。大尺寸、角度不敏感的目标。

【技术实现步骤摘要】
一种基于有效介质理论的超薄彩色滤光片及制备方法


[0001]本专利技术属于光学元件
，尤其涉及一种基于有效介质理论的超薄彩色滤光片及制备方法。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]彩色滤光片是用于显示/成像设备、彩色印刷、装饰、消费产品包装等的重要器件之一，它主要决定呈色质量，具体包括色彩饱和度、色域、亮度和分辨率；传统的商用彩色滤光片主要使用色素/染料等化学材料，其通常有毒，对环境会造成严重污染，并且在紫外线和高温环境下极易发生褪色。
[0004]在此背景下，源自于可见光与微纳结构相互作用的结构色，因其具有环境友好、永不褪色、呈色质量好、高分辨率等优点，正逐渐取代色素/染料，成为一种新型的彩色滤光片设计方式；目前，实现高色彩饱和度的滤光片主要利用图案化的纳米结构阵列，其制造需要依赖于昂贵且复杂的光刻技术，无法实现大尺寸及批量生产的需求，成为它们投入实际应用的阻碍；此外，这种图案化的纳米结构阵列通常具有较强的周期相关特性，因此对入射光角度十分敏感，无法满足大视野显示的需求。
[0005]另一种基于平面薄膜结构的彩色滤光片因其具有大尺寸、设计及制备简单、角度不敏感的优异性能，成为促进高性能显示/成像的最佳候选；这种类型的彩色滤光片是基于法布里
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珀罗(F
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P)共振原理实现的；最初研究的平面薄膜型彩色滤光片主要采用具有不同折射率大小的两种介质交替堆叠形成的多层薄膜结构；为实现高饱和颜色，该结构需要利用的薄膜层数相对多，其需要精确控制每层薄膜的厚度，因此对加工要求较高。
[0006]为克服上述多层介质薄膜结构存在的问题，一种仅包含三层薄膜的金属
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介质
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金属(MDM)结构逐渐成为用于构建彩色滤光片的主要结构；基于法布里
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珀罗共振效应，MDM结构能够通过改变中间介质层的厚度来实现不同颜色的滤出；为了进一步实现超薄器件，最近研究报道了一种基于单层有损介质薄膜
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金属衬底的结构，不同于MDM结构的法布里
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珀罗共振机制，这种基于单层有损介质薄膜结构的生色机制，主要是利用有损介质层的光学吸收系数及有损介质层和金属层边界处反射产生的非平凡相变来实现的。此外，和前面提到的多层薄膜结构及MDM结构相比，基于单层有损介质薄膜
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金属衬底结构在简化制造流程和实现超薄器件的同时，还具有更为优异的角度不敏感特性。然而，尽管基于该类结构的超薄彩色滤光片有工艺简单和角度不敏感的特点，但依然存在色彩饱和度低、色域窄的缺点。
[0007]综上，目前采用的各类微纳结构实现的彩色滤光片无法同时满足高色彩饱和度、角度不敏感特性、超薄、设计/制备简单、大尺寸的优异特性，严重阻碍了其投入实际应用。

技术实现思路

[0008]为克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于有效介质理论的超薄彩色滤
光片及制备方法，制备的超薄彩色滤光片是由两种不同有损介质层在厚度超薄的情况下叠加形成的复合有损介质层和金属反射衬底组成，基于有效介质理论，将多层具有不同折射率和远远小于可见光波长厚度的超薄有损介质层，等效为准均匀的单层平面有损介质层，通过选择合适的有损介质材料组合和改变各有损介质层的厚度，自由调控其等效后的准均匀单层薄膜的有效折射率以获得理想值，设计出色彩饱和度明显增强的超薄彩色滤光片，从而实现高性能彩色滤光片高色彩饱和度、制备简单、大尺寸、角度不敏感的目标。
[0009]为实现上述目的，本专利技术的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
[0010]本专利技术第一方面提供了一种基于有效介质理论的超薄彩色滤光片；
[0011]一种基于有效介质理论的超薄彩色滤光片，由第一有损介质层、第二层有损介质层和金属反射衬底依次叠加而成；
[0012]第一有损介质层和第二层有损介质层，选用两种具有不同折射率的材料，基于有效介质理论，调控两层有损介质层的厚度，得到高折射率实部、折射率虚部在0.6的理想等效折射率。
[0013]进一步的，所述有损介质层，选择在可见光波段具有高折射率实部的材料；
[0014]金属反射衬底，选择在可见光光谱范围内具有高反射率的金属材料。
[0015]进一步的，所述第一有损介质层和第二层有损介质层，选择两种在可见光波段具有高折射率实部，但在折射率虚部具有相反变化趋势的两种材料。
[0016]进一步的，对于黄色滤光片，选择在短波长处具有较大折射率虚部的材料作为第一有损介质层；
[0017]对于品红色和青色滤光片，选择在长波长处具有较大折射率虚部的材料作为第一有损介质层。
[0018]进一步的，选择氢化镁MgH2和氢化非晶硅a
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Si:H作为有损介质层的材料、铝Al作为金属反射衬底。
[0019]进一步的，对于设计的黄色、品红色和青色滤光片，a
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Si:H层的厚度分别设置为10、19和26nm，MgH2层的厚度分别为4、6和4nm。
[0020]进一步的，有损介质层的可选材料，还包括GaAs、Ge和SiC；
[0021]金属反射衬底的可选材料，还包括Ag、Au。
[0022]本专利技术第二方面提供了一种基于有效介质理论的超薄彩色滤光片的制备方法。
[0023]一种基于有效介质理论的超薄彩色滤光片的制备方法，采用薄膜沉积工艺进行大面积制备，具体步骤包括：
[0024]选择在可见光光谱范围内具有高反射率的金属材料，采用生长的方式，形成金属反射衬底；
[0025]选择两种在可见光波段具有高折射率实部、但在折射率虚部具有相反变化趋势的两种材料，采用生长的方式，分别形成两种有损介质层薄膜；
[0026]将两种有损介质层薄膜和金属反射衬底依次叠加制备成超薄彩色滤光片。
[0027]进一步的，金属反射衬底的生长方式，包括热蒸发、磁控溅射、脉冲激光沉积。
[0028]进一步的，对于a
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Si:H薄膜形成，采用等离子体增强化学气相沉积或原子层沉积的方式生长；
[0029]对于MgH2薄膜形成，通过等离子体增强化学气相沉积、高温管式炉原位生长或脉
冲激光沉积的方式生长。
[0030]以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
[0031]与现有技术相比，本专利技术提出的基于有效介质理论的超薄彩色滤光片同时具有高色彩饱和度、角度不敏感特性、超薄、设计/制备简单、大尺寸等优异特性，有效解决了基于微纳结构的彩色滤光片目前面临的多种高性能无法兼并的问题：
[0032]首先，该彩色滤光片属于平面薄膜结构类型，具有平面薄膜结构所拥有的制备及设计方法简单，可以实现大尺寸及批量生产的普遍优势。
[0033]其次，该彩色滤光片采用的有损介质层组合具有超薄厚度和超高的等效折射率实部，确保了其在不同入射角下的总相位基本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于有效介质理论的超薄彩色滤光片，其特征在于，由第一有损介质层、第二层有损介质层和金属反射衬底依次叠加而成；第一有损介质层和第二层有损介质层，选用两种具有不同折射率的材料，基于有效介质理论，调控两层有损介质层的厚度，得到高折射率实部、折射率虚部在0.6的理想等效折射率。2.如权利要求1所述的一种基于有效介质理论的超薄彩色滤光片，其特征在于，所述有损介质层，选择在可见光波段具有高折射率实部的材料；金属反射衬底，选择在可见光光谱范围内具有高反射率的金属材料。3.如权利要求1所述的一种基于有效介质理论的超薄彩色滤光片，其特征在于，所述第一有损介质层和第二层有损介质层，选择两种在可见光波段具有高折射率实部，但在折射率虚部具有相反变化趋势的两种材料。4.如权利要求1所述的一种基于有效介质理论的超薄彩色滤光片，其特征在于，对于黄色滤光片，选择在短波长处具有较大折射率虚部的材料作为第一有损介质层；对于品红色和青色滤光片，选择在长波长处具有较大折射率虚部的材料作为第一有损介质层。5.如权利要求4所述的一种基于有效介质理论的超薄彩色滤光片，其特征在于，选择氢化镁MgH2和氢化非晶硅a
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Si:H作为有损介质层的材料、铝Al作为金属反射衬底。6.如权利要求5所述的一种基于有效介质理论的超薄彩色滤光片，其特征在于，对于设计的黄色、品红色和青...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳文静，李欣婷，高嵩，李阳，张春伟，阚皓，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：