[发明专利]一种电致可调的液晶间隙等离子体结构色滤波器

说明书

本发明提供的是一种电致可调的液晶间隙等离子体结构色滤波器，属于微纳光电领域，器件包括金属衬底1，液晶层2，介质层3，金属圆盘4。通过改变金属圆盘的直径和控制液晶的指向角，可以实现对整个可见光光谱的光操纵，显示出不同的颜色。本发明实现了结构色器件加工后的动态调节，能应用在高分辨率彩色显示、结构色印刷、集成光电器件等领域。

(一)技术领域

本发明涉及结构色显示领域，具体的，涉及一种电致可调的液晶间隙等离子体结构色滤波器。

(二)背景技术

在我们的日常生活中，最常用的化学颜色的材料是染料和颜料。这些材料吸收一部分可见光谱，反射剩余部分形成颜色。染料和颜料凭借其对入射光的偏振态和入射角的不敏感性，在工业生产、日常生活中具有广泛的应用。然而，然而它们存在一定的局限性。例如，它们都具有使用寿命有限，染料和颜料很难用于要求高分辨率的高级彩色显示和光谱成像设备。一旦颗粒尺寸降至微米级以下，它们的光学性能就会极大削减，且对入射光条件极度敏感，进而产生干涉、衍射、散射等光学现象而不具备人为操纵的能力。上述问题要求新的产生颜色的方式需要具有更高的化学稳定性、更低的毒性和更高的分辨率，以满足新的苛刻应用。

传统的化学颜色是在分子的尺度上对光的调控。化学颜色的化学性质不稳定，且易受环境的影响，颜色的效果和保存的时间易受到温度、光照、湿度、自然挥发的影响。而结构色器件是通过自身结构对光产生干涉、衍射、散射的效果。在自然界中随处可见结构色的应用，例如蝴蝶的彩色翅膀、艳丽的蛋彩石等。人类在很多年之前就开始设计制造表面等离激元结构色器件，古罗马时期通过金属和粘土制造的圣杯受到光照后产生绚丽的颜色。结构色器件因为其稳定、环保等特点，在印刷、显示、彩色全息、比色传感器等领域具有广泛的应用前景。

目前，人们利用导模共振、伍德异常、间隙等离子体共振等理，设计制造了比如微纳金属光栅、金属小孔、谐振腔等结构色器件。目前大部分的结构色器件都是依赖于设计结构产生颜色，无法实现颜色的动态调控。这些缺陷限制了结构色器件在具体的生产生活中的运用。

本文设计了一种电致可调的液晶间隙等离子体结构色滤波器，其包括自下而上依次设置的金属衬底、介质层、液晶层、金属圆盘。所提出的器件通过表面等离子体激元、间隙等离子体共振的作用工作，优化结构尺寸、周期，可以实现对于整个可见光谱的操纵。除此之外，通过改变液晶两端电压可以在器件加工完成之后实现动态调控，可以应用在高分辨彩色显示等领域。

(三)发明内容

针对上述问题，本发明主要是提供一种一种电致可调的液晶间隙等离子体结构色滤波器。

本发明的目的是这样实现的：

一种电致可调的液晶间隙等离子体结构色滤波器是一种周期结构，一个周期内自下而上依次包括的金属衬底、介质、液晶、金属圆盘。在金属Al衬底上有SiO₂圆柱，在SiO₂圆柱周围浸入有液晶，SiO₂上刻蚀有金属Al圆盘。一种电致可调的液晶间隙等离子体结构色滤波器一个周期为P，金属衬底的厚度固定为100nm，SiO₂和液晶层的厚度为20nm，金属Al圆盘的厚度固定为30nm。D为金属圆盘结构的直径。

研究发现，此结构相较于其他的结构色器件相比，设计简单，通过调节金属圆盘的直径和控制液晶指向角就能实现对于整个光谱的光操纵。相较于其他的金属圆盘结构色器件，一种电致可调的液晶间隙等离子体结构色滤波器在加工完成之后也可以通过在液晶施加不同的电压动态调节滤波器反射的颜色。

(四)附图说明

图1为一种电致可调的液晶间隙等离子体结构色滤波器结构示意图，图2为滤波器ZX方向结构的示意图。

图3为Al金属圆盘直径从70nm～160nm的反射谱。图4是Al金属圆盘直径从70nm～160nm的反射谱所对应的颜色在CIE1931颜色坐标系中所处的位置。