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微區(qū)光譜在結(jié)構(gòu)色及全色印刷研究中的應(yīng)用
▌微區(qū)光譜在結(jié)構(gòu)色及全色印刷研究中的應(yīng)用
對(duì)一種可用于微觀干涉式全色印刷術(shù)的多級(jí)灰度 Fabry-Perot 共振腔的微區(qū)光譜表征
結(jié)構(gòu)色 全色印刷 多級(jí)灰度 FP 共振腔 微區(qū)光譜 干涉式彩色像元
【概述】2017 年 1 月，湖南大學(xué)段輝高教授團(tuán)隊(duì)在 Advanced Optical Materials 雜志發(fā)表了一篇題為《Microscopic Interference Full-Color Printing Using Grayscale-Patterned Fabry-Perot Resonance Cavities》的文章。文章報(bào)道了一種基于非對(duì)稱 Fabry-Perot (FP) 共振腔的，可低成本制造的，并可實(shí)現(xiàn)單片集成（Monolithic）的 干涉式全色印刷術(shù)（Interference Full-Color Printing）。
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| 圖1，干涉式全色印刷術(shù)重構(gòu)的梵高畫作《向日葵》及非對(duì)稱 FP 共振腔的單片集成示意圖 |
相較于傳統(tǒng)的基于衍射或表面等離子體效應(yīng)的結(jié)構(gòu)色，基于相干相消效應(yīng)的干涉式結(jié)構(gòu)色既可以低成本地應(yīng)用于大面積制造，又可以應(yīng)用于微小器件的納米印刷。同時(shí)，該技術(shù)還避免了虹彩效應(yīng)，因而可在更加廣泛的領(lǐng)域得以應(yīng)用。作者創(chuàng)造性地提出了一種具有多級(jí)灰度的 Al 基-HSQ 介質(zhì)-超薄 Ni 吸收層的非對(duì)稱 FP 共振腔及由其組成的干涉式彩色像元（Interference Color Pixel），并對(duì)其成色效果展開了系統(tǒng)化的研究。
【樣品 & 測試】作者采用如下方式（圖2）構(gòu)建了一種非對(duì)稱的金屬-介質(zhì)-金屬 FP 共振腔結(jié)構(gòu)。首先，通過電子束蒸發(fā)形成約 100nm 厚的 Al 層。其次，在 Al 基底上旋涂一層 HSQ 光刻膠，進(jìn)而通過電子束光刻系統(tǒng)（EBL）對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光。顯影后經(jīng)過曝光的光刻膠可保留在 Al 基底上。曝光時(shí)間長短決定了保留的光刻膠的厚度。再沉積一層 6nm 厚的金屬 Ni，終形成不同厚度的 FP 共振腔。
【樣品 & 測試】作者采用如下方式（圖2）構(gòu)建了一種非對(duì)稱的金屬-介質(zhì)-金屬 FP 共振腔結(jié)構(gòu)。首先，通過電子束蒸發(fā)形成約 100nm 厚的 Al 層。其次，在 Al 基底上旋涂一層 HSQ 光刻膠，進(jìn)而通過電子束光刻系統(tǒng)（EBL）對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光。顯影后經(jīng)過曝光的光刻膠可保留在 Al 基底上。曝光時(shí)間長短決定了保留的光刻膠的厚度。再沉積一層 6nm 厚的金屬 Ni，終形成不同厚度的 FP 共振腔。
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| 圖2，構(gòu)建非對(duì)稱金屬-介質(zhì)-金屬 FP 共振腔結(jié)構(gòu)的流程圖 |
相比于傳統(tǒng)的等離子體彩色像元（Plasmonic Color Pixel），經(jīng)過如上方式構(gòu)建的干涉式彩色像元具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。干涉式彩色像元既可以通過納米構(gòu)型技術(shù)（Nanopatterning Technique）形成精細(xì)的微尺寸像元，又可以通過多級(jí)灰度光刻技術(shù)（Grayscale Photolithography）[2] 面向大面積的成色應(yīng)用。從制造的角度而言，為形成穩(wěn)定的色彩，等離子體彩色像元?jiǎng)t需花費(fèi)過高的成本以獲得高精度的納米圖樣。
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| 圖3，在微納尺度下構(gòu)建彩色圖案的全過程 |
為獲得覆蓋全色域的調(diào)色板，作者在 1μm2 像元尺寸（P，圖1，下同）條件下，針對(duì) FP 共振腔占空比（由 D 決定）和其介質(zhì)層厚度（t）對(duì)成色的影響進(jìn)行了系統(tǒng)化的研究。研究表明（圖2），通過加大曝光劑量，進(jìn)而增加介質(zhì)層厚度，可以使 FP 共振腔在明場下的顏色由藍(lán)色逐步變到綠色，終到紅色；而通過增加占空比，明場顏色則變得越來越鮮艷，其飽和度（Saturation）和明度（Brightness）都有所提高。特別引人注目的是，當(dāng)固定厚度不變時(shí)，顏色隨 FP 共振腔占空比的改變而發(fā)生漸變。這些現(xiàn)象為調(diào)色并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全色印刷提供了豐富的手段。
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| 圖4，文章 Supporting Information 部分對(duì)復(fù)享光學(xué)設(shè)備的引用及部分微區(qū)光譜數(shù)據(jù) |
為展示這種干涉式結(jié)構(gòu)色所能表達(dá)的色彩范圍，作者建立了一整套可操作的流程。首先，通過調(diào)整占空比和厚度，建立色板（圖3a）。其次，通過色板中每個(gè)像元的占空比與厚度參數(shù)（圖3b），以及明場下的色度，建立“色度-光刻參數(shù)關(guān)系表”（圖3c）。進(jìn)而，根據(jù)上述關(guān)系表將所需要表達(dá)的圖案的每個(gè)像元顏色翻譯為實(shí)際操作的光刻參數(shù)，并終進(jìn)行多級(jí)灰度光刻（圖3d）。為展示這種新型干涉式全色印刷技術(shù)在納米尺度下的色彩還原能力，作者完成了梵高畫作《向日葵》[4]和《自畫像》[5] 的納米印刷。
【總結(jié)】綜上所述，段輝高教授團(tuán)隊(duì)展示了一種簡單而有效的全色印刷術(shù)，通過使用成本低廉的 Al 和 Ni 金屬構(gòu)建非對(duì)稱 FP 共振腔，再調(diào)控占空比和 FP 共振腔厚度實(shí)現(xiàn)全色域（Brightness, Hue, Saturation）的色彩表達(dá)。相比于基于等離子體效應(yīng)的結(jié)構(gòu)色，該項(xiàng)技術(shù)的大特點(diǎn)在于既可以構(gòu)建微納尺度的像元，又可以進(jìn)行宏觀大尺度的制備，并且在保持準(zhǔn)確的色彩表達(dá)前提下具有低成本、易于控制的優(yōu)點(diǎn)。因此，該項(xiàng)技術(shù)有望成為替代傳統(tǒng)染料印刷，解決環(huán)境污染問題的新型綠色印刷技術(shù)。
由復(fù)享光學(xué)提供的基于 Olympus 顯微鏡的 微區(qū)光譜測量方案（FIB-M、CMS等）和 微區(qū)定位技術(shù) 對(duì)本文作者在微觀條件下快速實(shí)現(xiàn)大量光譜測量起到了至關(guān)重要的作用。圖4 所示為作者在 Supporting Information 部分對(duì)復(fù)享光學(xué)產(chǎn)品的標(biāo)注。▌
【參考文獻(xiàn)】
? Yang, Zhengmei, et al. "Microscopic Interference Full‐Color Printing Using Grayscale‐Patterned Fabry–Perot Resonance Cavities." Advanced Optical Materials 5.10 (2017). Link
? 多級(jí)灰度光刻（Grayscale Lithography）技術(shù)介紹
? 湖南大學(xué)微納光電器件及應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室段輝高教授課題組介紹
? 梵高的畫作《Still Life: Vase with Fifteen Sunflouwers》
? 梵高的畫作《Self-Portrait with Bandaged Ear》
由復(fù)享光學(xué)提供的基于 Olympus 顯微鏡的 微區(qū)光譜測量方案（FIB-M、CMS等）和 微區(qū)定位技術(shù) 對(duì)本文作者在微觀條件下快速實(shí)現(xiàn)大量光譜測量起到了至關(guān)重要的作用。圖4 所示為作者在 Supporting Information 部分對(duì)復(fù)享光學(xué)產(chǎn)品的標(biāo)注。▌
【參考文獻(xiàn)】
? Yang, Zhengmei, et al. "Microscopic Interference Full‐Color Printing Using Grayscale‐Patterned Fabry–Perot Resonance Cavities." Advanced Optical Materials 5.10 (2017). Link
? 多級(jí)灰度光刻（Grayscale Lithography）技術(shù)介紹
? 湖南大學(xué)微納光電器件及應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室段輝高教授課題組介紹
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