对一种可用于全彩微印刷的单片集成干涉式全彩滤光片微阵列的微区光谱表征

结构色    全色印刷    纳米谐振腔    微区光谱    干涉式彩色滤光片 

【概述】基于干涉原理的透射式滤光单元相比于目前研究最多的等离激元金属纳米结构，其色域更广并且颜色对比度更高。但要实现透射式滤光单片集成，必须要在单个衬底上做出不同高度的纳米台阶谐振腔，同时要解决多层薄膜的工艺兼容问题，制造工艺十分具有挑战性。

图1，干涉式微型滤光片及其重现的“生如夏花”及“朵拉.玛尔的肖像”

近日，湖南大学段辉高教授与新加坡科技设计大学 Joel K. W. Yang 教授、新加坡国立大学仇成伟教授以及德国海德堡大学 Na Liu 教授等合作，开发了一类基于台阶式 纳米谐振腔 的 全彩滤光片微阵列 并展示了其全彩微印刷 应用前景，相关成果以《Stepwise-nanocavity-assisted Transmissive Color Filter Array Microprints》为题发表在 Research 上。      

【样品 & 测试】作者通过优化的电子束灰度光刻工艺，实现了极高分辨的干涉式彩色滤光片微阵列。该滤光片 FP 腔截面示意图如 图2a 所示，其核心单元为不对称 FP 腔结构（Ag/SiO2/Ag）。在制造工艺中，作者对 FP 腔中光发生干涉的光程差的精准调控，决定了透射光谱中透射峰的位置及所获得结构色像素的色调。

图2，干涉式全彩滤光片的FP腔截面图及其全彩调色板的颜色及光谱表征

为了实现上述加工工艺，作者将可转变为 SiOx 介质的 HSQ 抗蚀剂替换 FP 腔结构中 SiO2 介电层，一方面通过调节电子束对 HSQ 的曝光剂量改变介质层 SiOx 的高度, 另一方面通过调节单个像素中 FP 腔的填充密度来改变介电层的有效折射率，使得 FP 腔中光发生干涉的光程差得以较精准的调控。为了实验验证上述干涉式全彩色滤光片实现的颜色调控方案，作者对样品的颜色及透射光谱进行了 微区光谱 表征（图1b-d），证实了全彩调色板的实现及其在全色印刷应用中的可行性。      【总结】文中所实现的宽色域、良好饱和度的彩色滤色片微阵列使得印刷高分辨全彩色微画成为可能。除此之外，即使当像素被缩小到 500nm 时，像素化 FP 腔的颜色呈现能力仍然可以保持；该类微滤光片阵列也有着较好的抗颜色串扰能力，因此有望在显微光谱仪及高分辨图像传感系统中得以应用。

图3，复享光学的一种模块化微区光谱方案

由复享提供的模块化 微区光谱 测量系统为表征结构色及 全色印刷 样品的透反射光谱提供了一种快速、方便、低成本、高效率的解决方案。该系统可基于实验室已有的显微光路、光谱仪等元件进行灵活搭建，实现透反射、荧光、拉曼等光谱分析功能拓展。图3 是基于实验室光学元件及复享微区光谱测量模块搭建的微区光谱测量方案，实现了微米级样品成像及 380~2500nm 波段内的光谱表征，光谱测量区域分辨率可达 1μm。

【参考文献】

✽ Wang, Yasi, et al. "Stepwise-Nanocavity-Assisted Transmissive Color Filter Array Microprints." Research (2018). 

✽ 两江科技评论-单片集成干涉式全彩滤光片微阵列，展现全彩微印刷应用前景.