[发明专利]光学超表面膜

说明书

一种光学超表面膜，包括：具有第一主表面的柔性聚合物膜；图案化聚合物层，其具有邻近所述柔性聚合物膜的所述第一主表面的第一表面并且具有与所述第一表面相对的第二纳米结构表面；以及折射率对比度层，其与所述图案化聚合物层的所述纳米结构表面相邻，从而形成具有纳米结构界面的纳米结构双层。纳米结构双层局部地对光的振幅、相位或偏振或其组合起作用，并施加随所述纳米结构双层在所述柔性聚合物膜上的位置变化的光相位偏移。纳米结构双层的光相位偏移限定了所述光学超表面膜的预定操作相位分布。

背景技术

超材料是在至少一个表面上具有纳米级特征的合成复合材料。当纳米级特征被选择为具有小于撞击在表面上的光的波长的至少一个尺寸时，超材料可以表现出使用常规材料和技术不容易获得的性质。超材料可以具有简单的表面结构，例如单个或少量的图案化层，或者更复杂的表面结构，例如堆叠的图案化层，这些图案化层通常彼此对准，使得各个纳米级特征根据它们的设计与撞击辐射电磁地相互作用。具有单个或少量图案化层的超材料被称为超表面。具有纳米级表面特征的超表面最近已经在光学、生物感测、半导体和其它电子器件中得到应用。

例如，已经使用电子束光刻和原子层沉积在刚性表面上形成超表面。这些材料已经形成在表面积有限的基底上。这些材料已经形成在直径为300mm或更小的晶片基底上。

有两种主要类型的超表面：几何相(geometric phase)超表面和传播相(propagation phase)超表面。几何相超表面经由空间旋转的相同纳米结构引起光相位偏移，其中每个单独的纳米结构充当半波片。传播相超表面使用在每个空间位置处具有不同横向尺寸的线性双折射纳米结构来引起光相位偏移。这两种方法也可结合使用。

发明内容

描述了光学超表面聚合物膜。这些光学超表面聚合物膜可形成于柔性基底上。柔性基底可以是例如横向尺寸大于300mm的大规格基底。这些光学超表面聚合物膜可以利用具有高保真度的卷对卷处理(roll-to-roll processing)来形成。

一种光学超表面膜，包括：具有第一主表面的柔性聚合物膜；图案化聚合物层，所述图案化聚合物层具有邻近所述柔性聚合物膜的所述第一主表面的第一表面、并且具有与所述第一表面相对的第二纳米结构表面；以及折射率对比度层，所述折射率对比度层包括与所述图案化聚合物层的所述纳米结构表面相邻的折射率对比度材料，从而形成具有纳米结构界面的纳米结构双层。纳米结构双层局部地对光的振幅、相位或偏振或其组合起作用，并施加随所述纳米结构双层在所述柔性聚合物膜上的位置变化的光相位偏移。纳米结构双层的光相位偏移限定了所述光学超表面膜的预定操作相位分布。

纳米结构双层可以局部地对光的振幅起作用。纳米结构双层可以局部地对光的相位起作用。纳米结构双层可以局部地对光的偏振起作用。

纳米结构双层可由固体材料限定。纳米结构双层可由固体材料形成。纳米结构双层可由聚合物材料形成。

纳米结构双层还可包括将图案化聚合物层与柔性聚合物膜的第一主表面分开的蚀刻停止层。

所述折射率对比度材料可以具有第一折射率值，并且所述图案化聚合物层具有第二折射率值，所述第二折射率值与所述第一折射率值相差至少0.25、或相差0.5、或相差0.75、或相差1.0、或相差1.4。

纳米结构双层可由嵌入折射率对比度层中的多个纳米结构限定。形成纳米结构表面的纳米结构的纵横比可至少约1:1、2:1、5:1、10:1或15:1。形成纳米结构表面的纳米结构优选的纵横比在约2:1至约20:1、或约4:1至约15:1范围内。

形成纳米结构表面的纳米结构可限定锥形侧壁，锥形侧壁的角度在约1度至10度、2至10度、3度至10度、4度至10度、1度至6度、2度至6度、或3度至6度、或2度至4度范围内。形成纳米结构表面的纳米结构可限定锥形侧壁，锥形侧壁的角度在约0度至10度、0度至6度、0度至3度、0度至2度、0度至1度范围内，或为0度。