基于可拉伸材料的动态调谐彩色滤波器

冯 延，田 楠，王继成，桑 田

(江南大学 理学院 光电科学与工程系, 江苏 无锡 214122)

引言

近年来，彩色滤波器的研究受到广泛关注，与色彩相关的光学元件和光学材料在实际中的应用也非常广泛，如成像领域，印刷领域，显示领域等[1]。人工彩色显示器常用的液晶材料，可以产生光学三原色，再通过进一步的颜色叠加来形成缤纷的色彩[2-3]。目前在色彩调节方面已经广泛使用的电光活性材料诸如液晶[4-7]，石墨烯[8-11]，有机晶体[12-13]，金属氧化物[14]等，一般可以通过施加不同的电压来实现材料特性的变化，进而对滤波效果实现调节。这种方式优于传统的利用有机染料或化学材料创造颜色的方法。除此之外，可以通过设计不同的器件结构来获取结构色。昆虫[15]，鸟类[16]和其他某些生物[17-18]的内部构造就包含着结构色的应用，蝴蝶翅膀是经典的例子[19]，不同色彩的产生取决于生物构造的不同。器件结构的设计是特殊光学效应产生的关键，常见的结构有金属-介质-金属叠层结构[20-22]，纳米级狭缝结构和金属纳米颗粒结构,亚波长纳米孔阵列等[23-25]。

本文设计了一种超薄，且具有超高反射率的可调滤波器结构。基底的选择是此设计的一个关键。我们注意到聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底，此材料可以进行机械拉伸，可拉伸PDMS基底的适用频率范围已经讨论过，并且已经证明，拉伸基底可以连续调节异常折射角，并且可以相应地调节波前相位[26]。

1 滤波器结构设计

在我们设计的结构中，等离子体纳米棒附着在基板上，对基底进行拉伸的同时纳米棒的位置也被改变，并且每个纳米棒所在位置的相位的连续性得以保证。关于纳米棒的材料选择，有机染料和化学颜料可以进行成像和显示，但分辨率并不能满足当前的需要，此外，这种材料不环保，难以回收[27-29]。常用材料一般有金和银，但是金的成本比较昂贵，银容易暴露于空气被氧化而变质。相比之下，铝是一种稳定且廉价的材料，但固有的金属损耗会使颜色饱和度受到影响[30]。非晶硅对400 nm～500 nm波段的波吸收太强，这对全波段滤波的期望将会产生负面影响[31-34]。通过比较，本文在材料上选择了无定形氧化钛。一方面，在可见光波段氧化钛造成的损耗基本上可以忽略不计；另一方面，氧化钛的折射率在整个可见光范围内相对较高[35-36]，满足对可见光范围内进行全带滤波的要求。

由此，结构设计是为了在可拉伸基底上生长周期性的二氧化钛纳米柱，如图1(a)所示。图中的灰色部分是使用的可拉伸基底，纳米柱阵列的不同颜色代表不同的尺寸,红绿蓝黄色分别代表半径为127.5 nm,90 nm,82.5 nm,112.5 nm的二氧化钛纳米圆柱，衬底为聚合物(polymer)。在可见光范围内，二氧化钛纳米柱的折射率随光波频率而变化[37]，如图1(b)所示。四种不同的颜色曲线代表不同的基底材料，有聚碳酸酯(polycarbonate，PC)，聚乙烯醇((polyvinyl alcohol，PVA))，聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone，PVP),聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)，它们的折射率分别为1.52[38]，1.58[39]，1.46[40]，1.4[41]。从图1(b)中可以看出，当相同尺寸的二氧化钛纳米棒与不同材料的衬底相互耦合，器件整体的反射并不相同，以PC为衬底时的反射率仅小于0.3，以PVP为衬底的反射率约为0.85，以PVA和PDMS为衬底时具有超高的反射率，接近1。相比较而言，PDMS衬底与二氧化钛纳米棒结构的耦合效果最好，因此接下来使用的基底材料都是PDMS。另一方面，纳米柱的横轴和纳米柱的垂直轴的半轴长度均为112.5 nm，纳米柱的占空比为0.6。

图1 滤波器结构及其反射率比较Fig.1 Filter structure and comparison of four different substrates reflective effects: PDMS, PVA, PVP and PC

工艺制备方面，本文选择了电子束蒸发沉积和剥离法，在PDMS基板上生长纳米柱，如图1(c)所示[42]。第1步，需要在硅衬底上生长氢倍半硅氧烷/聚甲基丙烯酸甲酯(HSQ/PMMA)双层掩模。第2步，沉积二氧化钛膜，这里使用的方法是电子束蒸发沉积法，然后将未固化的PDMS浇注到现有模型上。第3步，等待固化，等待固化过程结束以后剥离PDMS层，残留在硅衬底上部分二氧化钛并无影响，实验需要的是PDMS层和PDMS中留下的二氧化钛。

2 实验结果

基于上述结构设计，首先讨论固定参数下的周期阵列，保持初始结构的占空比不变，为0.6，周期范围为270 nm～460 nm，并以5 nm的步长进行计算。如图2(a)所示，选择效果较好的数据进行分析。综合来看，7种不同周期的阵列结构，在400 nm～800 nm的可见光波段中，均可以获得反射率接近1的窄带峰，并且每一条反射率曲线在整个可见光波段中有且仅有一个超高峰。图2(a)中曲线的颜色表示相应波段的光的颜色，从左到右依次为从蓝光到红光。

图2 滤波器结构的反射曲线和反射波彩色分布Fig.2 Reflection curve of fixed size filter structure and color distribution of reflected waves in CIE 1931

为了模拟这种结构，需要控制纳米柱尺寸和周期的同比变化。每个单元结构中，纳米柱的尺寸是确保占空比恒定的关键。此时使用的纳米柱均为圆柱形。图2(a)中右上角标注表示7个不同的周期参数，具体到每个周期参数中，x方向上的周期和y方向上的周期保持一致。结果证明该结构可以在可见光波段内实现全带滤波，并且入射光几乎可以被完全反射，绘制在1931CIE图中形成了一个闭环，如图2(b)所示，效果非常出色。基于上述结果以及可机械拉伸的基底，将静态的初始结构进行拉伸，以实现静态结构向动态调谐的转变。如图3所示，通过拉伸基底来改变纳米柱的分布，占空比随着拉伸不再保持固定。

图3 x, y方向的拉伸和不同方向上反射随周期参数的变化Fig.3 Tension in x, y directions and reflections varying with periodic parameters in different directions

动态调谐则需要考虑水平轴x和垂直轴y两个不同方向上的周期变化对滤波的影响。在x和y两个方向均进行拉伸，如图3(a)所示。纳米圆柱的半径保持为120 nm，y方向的周期Py保持为400 nm，通过改变x方向上的周期Px，分析不同周期参数对结果的影响。表1给出了x方向拉伸的具体结果，将x方向的周期参数设置为260 nm～460 nm，以5 nm步长进行分析，最终选择了6组滤波效果良好的数据。图3(b)中曲线的颜色仍然对应于相应波段的颜色，右上角图注表示在x方向上的不同周期参数。当x方向上的周期达到300 nm时，反射率略低，但也能够达到0.8的高反射率。在整个可见光波段中，265 nm，300 nm，325 nm，375 nm，425 nm和450 nm的5个周期与反射波的波长一一对应，且互不干扰，基本上实现了从蓝色到红色的全波段滤波，而且峰值单一，带宽极窄，在可见光波段中实现了良好的色彩分离。

表1 通过拉伸X方向周期值Px对应波长等参数变化(此时Y方向周期值Py固定为Py=400 nm)Table 1 Changes of corresponding wavelength and other parameters with tension of periodic value Px in X direction(when periodic value Py in Y direction is fixed to Py=400 nm)

另一方面，表2给出了y方向拉伸的具体结果，保持纳米圆柱尺寸和x方向上的周期恒定，改变y方向上的周期。如图3(c)所示，绘制了340 nm，360 nm，400 nm，440 nm，450 nm等5个参数下的反射结果。图3(c)中右上角的标注代表周期参数。这里的曲线颜色与滤波所取的光波颜色无关，只是为了区分不同的参数。分析结果表明，5个参数在反射率方面相似，范围从0.9～1，均达到超高反射。进一步比较，黄色曲线的反射率是其中最高的，对应于y方向上400 nm的周期参数。此外，5条曲线的峰值对应的反射波的波长没有显著变化，这意味着y方向上周期参数的变化对滤波效果几乎无影响。综合2个方向上的结果可以得到，y方向的周期性变化对滤波效果影响不大，x方向上的周期变化能够实现良好滤波效果，即对基底仅从x方向拉伸。

表2 通过拉伸Y方向周期值Py对应波长等参数变化(此时X方向周期值Px固定为Px=400 nm)Table 2 Changes of corresponding wavelength and other parameters with tension of periodic value Py in Y direction(when periodic value Py in X direction is fixed to Px=400 nm)

提出的假设已得到验证，即通过拉伸基底进行连续滤波具有可行性，并且只需要在x方向上进行机械拉伸。此外还需要选择最佳的纳米柱尺寸。调整纳米柱的尺寸，并通过计算与结果分析来优化尺寸。基于前文，y方向上的最佳周期参数设定为400 nm，分别将纳米柱的水平轴的半轴长设定为97.5 nm～135 nm，这对应于x方向上周期从300 nm～450 nm的变化，但是需要将每个单元结构x方向上的周期控制为相同的400 nm，然后比较不同半轴长度对效果的影响，如表2所示。

纳米柱形状并不局限于圆柱体，也考虑椭圆柱体，如图4所示。

图4 椭圆柱尺寸对滤波的影响Fig.4 Influence of elliptic cylinder size on filtering

从结果分析可以看出，112.5 nm，120 nm，127.5 nm和135 nm四种尺寸的结构的滤波效果良好，反射率几乎接近1，不同的横轴长度甚至能够产生反射波的波段位置变化，但偏移不大，更值得关注的是不同尺寸纳米柱的反射效果。最高反射率对应的半轴长为120 nm。此外，还优化了纵轴的半轴长度参数。效果最优的纳米柱尺寸是水平半轴长120 nm，垂直半轴长90 m。图5(a)是设计的滤波器的工作示意图。拉伸后单元结构的周期变化范围从300 nm～440 nm，连续拉伸，周期的变化也连续，如图5(b)所示。当周期拉伸至440 nm时，反射率下降至约0.56，虽然不能实现入射光的全部反射，但效果良好。由此可见，在可见光范围内获得了良好的色彩分离。

图5 滤波器工作原理和纳米柱滤波效果Fig.5 Schematic diagramof filter and filtering effect of elliptical nanocolumns at 120 nm～90 nm

在上述结构中，纳米柱的尺寸保持固定，即基底上的纳米柱阵列是单一恒定的，假设这种统一被破坏，需要考虑对整体效果的影响。基于之前的工作，有不同尺寸的纳米柱可供选择。选择任意两种不同尺寸的纳米柱放置在相同的单元结构中，并且在计算之前保持合理的占空比，保持基底固定，不进行机械拉伸，探索固定结构中不同尺寸纳米柱组合的滤波效果。不同尺寸纳米柱的选择是多种多样的，从形状方面来看，有圆柱和圆柱的组合，椭圆柱和椭圆柱的组合，以及圆柱和椭圆柱的组合。

这里没有详细列出各种情况的计算结果，混色结构并非任意混合即可有良好的效果，在其他的结构混合中，可见光波段内的反射波出现多峰，带宽过宽等不良表现，甚至出现因结构未能耦合使波形无规律振荡等现象，在这里只选择最优解。在x方向上具有120 nm的半轴长度，在y方向上具有90 nm长度的纳米椭圆柱，数量用a表示，以及具有90 nm半径的纳米圆柱，数量用b表示。x方向的周期为400 nm，y方向的周期为300 nm。图6右上角的a：b代表一个单元结构中两种不同尺寸的纳米柱的数量比，具体结构设计示意图如图6中插图所示，同一周期内放置尺寸并不相同的两种二氧化钛纳米柱。图6中0-5,2-3,4-1和5-0是具有良好滤波效果的四种数量组合，图6中曲线的颜色对应滤波所取光波的颜色。事实上，0-5和5-0相当于前文中模拟的单一固定的周期阵列。2-3和4-1两种情况是真正的混合结构，2-3结构的反射率接近0.8，4-1结构的反射率接近1，两种结构均能实现超高反射。这表明不同尺寸的纳米柱的组合也可以实现良好滤波，这为滤波器的设计提供了更多的可能性。

图6 混色结构示意图及其滤波效果Fig.6 Schematic diagram of mixed color structure and its filtering effect

设计的滤波器应用示意图如图7所示。在具体的应用中，将纳米级的滤波器填充在所需变色的具体区域中进行拉伸，发生形变的结果是周期参数被改变，对应于不同的周期参数可以得到不同色彩的反射光，进而令指定区域色彩发生变化。

图7 可拉伸彩色滤波器的应用效果示意图Fig.7 Schematic diagram of stretchable color filter application effect

图7(a)是背景色为白色的校徽原样，图中汉字与中心蓝色部分用滤波器结构搭建，图7(b)是依次为青色，绿色，红色的变色效果。

3 结论

可动态调谐的滤波器应用前景广泛，本文提出了一种新颖的动态调谐氧化钛-PDMS滤波器结构。相较于目前静态调谐的滤波器的器件结构一旦定型即无法更改的缺点，本文的动态调谐结构在器件定型后依然可以进行实时调控。本文首先讨论了固定结构和固定占空比情况下的滤波效果，在275 nm～425 nm的周期参数设定下，固定结构的滤波器能够实现良好的滤波效果。但此种结构存在不可动态调谐的缺陷，本文提出了机械拉伸的结构设计。通过参数优化确定了二氧化钛纳米柱的尺寸，横纵半轴长分别为120 nm和90 nm，确定了从x方向进行拉伸。在300 nm～440 nm的周期变化中，提出的结构相对形变率最高可达46.7%，滤波效果较好。随着器件结构的拉伸，反射波的波长范围覆盖了475 nm～625 nm波段，实现了在可见光波段内进行全波段滤波的期望。最后，设计了混合结构，在单元结构中设置不同尺寸的纳米柱，也实现了良好的滤波效果，为滤波器设计提供了更多可能。氧化钛超表面结构设计简单，性能优越，在高密度光学数据存储领域，传感领域，信息安全领域等具有较好的应用前景。