[发明专利]一种基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面及制备方法

说明书

本发明提供一种基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面，包括：硅衬底；形成在衬底上的薄膜结构，薄膜结构为椭圆柱纳米结构；以及椭圆柱纳米结构形成椭圆柱纳米结构阵列，用于接收入射光。由介电材料硅衬底及椭圆柱纳米结构阵列在不同的偏振光照射下产生不同的结构色，达到显色的效果。本发明结构色超表面在亚波长范围内具有高分辨，易于制造和与传统半导体工艺兼容，且与化学染料和颜料相比具有环境友好性以及良好的耐久性。

技术领域

本发明涉及超表面技术领域，具体涉及一种基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面及制备方法。

背景技术

超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料。超表面可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。根据面内的结构形式，超表面可以分为两种：一种具有横向亚波长的微细结构，一种为均匀膜层。根据调控的波的种类，超表面可分为光学超表面、声学超表面、机械超表面等。光学超表面是最常见的一种类型，它可以通过亚波长的微结构来调控电磁波的偏振、相位、振幅、频率等特性，是一种结合了光学与纳米科技的新兴技术。目前，基于米氏共振的结构色超表面的研究得到了广泛的关注和快速的发展。由于结构的米氏共振波长依赖于固有的材料特性和结构几何形状，因此可以避免传统化学着色的缺点，绿色环保。

利用高折射率介质纳米结构作为谐振器，即所谓的“Mie谐振器”，可以精确地操纵电磁波的性质。当入射光被困在纳米结构内时，该谐振器具有一种独特的共振特性，它是由电磁多极同时激发而驱动的。根据纳米结构中被激发的多极的存在，散射方向也可以被调整。这些有趣的特性在周期性的Mie谐振器系统中被观察到。在光照到物体上时，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收。如果物体是透明的，还有一部分透过物体。不同物体，对不同颜色的反射、吸收和透过的情况不同，因此呈现不同的色彩。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述问题，本发明提供了一种基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面及制备方法，用于至少部分解决传统化学着色污染大、超表面图案分辨率低等技术问题。

(二)技术方案

本发明一方面提供了一种基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面，包括：硅衬底；形成在衬底上的薄膜结构，薄膜结构为椭圆柱纳米结构；以及椭圆柱纳米结构形成椭圆柱纳米结构阵列，用于接收入射光。

进一步地，还包括：形成在椭圆柱纳米结构上覆盖的一层金属反射层铝。

进一步地，椭圆柱纳米结构阵列呈周期排列，相邻椭圆柱纳米结构在x和y方向的排列周期P_x的范围是280纳米至500纳米之间，P_y的范围是280纳米至500纳米之间。

进一步地，椭圆柱纳米结构的高度H₁介于140纳米至240纳米之间，椭圆柱上面覆盖的金属层铝的厚度H₂为30纳米至50纳米之间，椭圆的短轴直径2b于80纳米至240纳米之间，椭圆的长轴直径2a于80纳米至240纳米之间。

进一步地，薄膜结构的材料为硅。

本发明另一方面提供了一种基于硅纳米结构的高分辨率结构色超表面的制备方法，包括：S1，提供衬底；S2，在衬底上形成薄膜结构，薄膜结构为椭圆柱纳米结构；S3，以及椭圆柱纳米结构形成椭圆柱纳米结构阵列，用于接收入射光并选择性反射可见光。

进一步地，S2之后还包括：形成在椭圆柱纳米结构上覆盖的一层金属反射层铝。