基于纳米孔金属-介质-金属结构的高纯度大面积结构色滤光片

摘要

我们展示了一种可扩展、高效的结构色滤光片，结合纳米孔阳极氧化铝（NAA）层与光学厚Al基底上的薄Al涂层。NAA作为自组装六方纳米孔阵列，表现为准均匀介质，与顶层Al共同构成金属-介质-金属（MDM）谐振器。通过调节阳极氧化时间控制NAA厚度（110-320 nm），法布里-珀罗共振波长跨越可见光谱，产生鲜艳、高色纯度的反射色。三个2 cm×2 cm样品反射效率高达73%，优于以往基于NAA的滤光片。该方法提供低成本、无光刻的大面积彩色滤光器件制备路线，适用于显示器、成像传感器、结构印刷和光伏。

研究背景

亚波长结构色滤光片通过用坚固、可调的光学结构取代易挥发有机染料，彻变了显示和传感器技术。传统设计——连续薄膜堆叠、亚波长光栅或超表面——常需昂贵的电子束光刻和多步沉积，限制大面积应用。金属-介质-金属（MDM）法布里-珀罗谐振器提供替代方案：夹在两金属层间的介质腔产生尖锐反射谷以定义感知颜色。然而，在单一平台实现全RGB调色板需多种腔厚度，不利于大规模制造。

纳米孔阳极氧化铝（NAA）提供低成本、自组装的介质层，具有有序六方孔阵列。在NAA顶部沉积薄Al涂层，结构成为不对称MDM谐振器，同时多孔Al层支持局域表面等离子体共振（LSPR）。先前工作用贵金属（Au, Pt）作顶层，成本高且反射效率低。本文采用铝——高反射率、廉价、兼容CMOS工艺——实现高纯度、大面积滤光片。

方法与实验

大面积彩色滤光片设计

器件由2 cm×2 cm光学厚Al基底、厚度t₂为110-320 nm的NAA腔、15 nm顶层Al覆盖层（t₁）组成。NAA孔径d=65 nm，中心间距Λ=100 nm，空气填充率赋予有效折射率~1.48（有效介质理论）。有限差分时域（FDTD）仿真证实结构支持可见光范围单一可调反射谷，且顶层Al多孔时谷值最深，因LSPR吸收增强。

制备工艺

商业99.999% Al箔（1 mm厚）脱脂、清洗、切割成2 cm×2 cm方片。两步阳极氧化制备NAA：0.3 M草酸，40 V，室温30 min，随后6% H₃PO₄/1.8% H₂CrO₄在60°C腐蚀5 h。第二次阳极氧化循环通过调节时间获得可控厚度（110, 160, 320 nm）NAA膜。6% H₃PO₄浴10 min去除孔内残余氧化铝。最后在6.7×10⁻⁵ Pa基压、2.0 kW直流、260 s（0.5 Å/s沉积率）下溅射15 nm Al于NAA表面。扫描电镜确认六方孔阵列和均匀Al涂层。

光学表征

卤素灯、分束器和光谱仪正入射测量反射光谱。光谱显示在484 nm（110 nm NAA）、614 nm（160 nm）、539 nm（320 nm）处近零反射谷，峰值反射效率达73%。CIE 1931色度图坐标确认高纯度RGB颜色。偏振相关测量显示0°-90°光谱相同，确认各向同性。

结果与讨论

等离子体增强

用等效均匀介质（n_eff=1.48）替代NAA腔产生近乎相同的反射光谱，验证有效介质近似。在顶层Al引入孔隙使共振波长红移并加深反射谷，归因于LSPR介导吸收。共振时电场分布图显示场强在腔内和多孔Al层均强烈约束，解释近零反射率。

铝氧化影响

Al表面自发形成天然氧化铝层（0-4 nm）。仿真显示此类层对共振波长和反射率影响可忽略，确保长期稳定性。无Al覆盖层器件呈灰色、低纯度色彩，凸显MDM架构必要性。

结论

我们引入一种无光刻、低成本方法制备大面积、高纯度结构色滤光片。NAA腔上薄多孔Al层构成Al基底上的谐振MDM结构，同时支持法布里-珀罗和等离子体共振。仅通过调节阳极氧化时间（即NAA厚度），滤光片颜色可调至整个可见光谱。2 cm×2 cm样品实验证实反射效率达73%及鲜艳RGB色彩。该平台易扩展用于显示、传感器、结构印刷和光伏应用。

缩略语

• |E|：电场
• Al：铝
• Al₂O₃：氧化铝
• CIE：国际照明委员会
• e-beam：电子束
• FDTD：有限差分时域
• FP：法布里-珀罗
• MDM：金属-介质-金属
• NAA：纳米孔阳极氧化铝
• SEM：扫描电子显微镜