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▌微区光谱在结构色及全色印刷研究中的应用
对一种可用于微观干涉式全色印刷术的多级灰度 Fabry-Perot 共振腔的微区光谱表征
结构色
全色印刷
多级灰度 FP 共振腔
微区光谱
干涉式彩色像元
【概述】2017 年 1 月，湖南大学段辉高教授团队在 Advanced Optical Materials 杂志发表了一篇题为《Microscopic Interference Full-Color Printing Using Grayscale-Patterned Fabry-Perot Resonance Cavities》的文章。文章报道了一种基于非对称 Fabry-Perot (FP) 共振腔的，可低成本制造的，并可实现单片集成（Monolithic）的 干涉式全色印刷术（Interference Full-Color Printing）。
图1，干涉式全色印刷术重构的梵高画作《向日葵》及非对称 FP 共振腔的单片集成示意图
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相较于传统的基于衍射或表面等离子体效应的结构色，基于相干相消效应的干涉式结构色既可以低成本地应用于大面积制造，又可以应用于微小器件的纳米印刷。同时，该技术还避免了虹彩效应，因而可在更加广泛的领域得以应用。作者创造性地提出了一种具有多级灰度的 Al 基-HSQ 介质-超薄 Ni 吸收层的非对称 FP 共振腔及由其组成的干涉式彩色像元（Interference Color Pixel），并对其成色效果展开了系统化的研究。
【样品 & 测试】作者采用如下方式（图2）构建了一种非对称的金属-介质-金属 FP 共振腔结构。首先，通过电子束蒸发形成约 100nm 厚的 Al 层。其次，在 Al 基底上旋涂一层 HSQ 光刻胶，进而通过电子束光刻系统（EBL）对光刻胶进行曝光。显影后经过曝光的光刻胶可保留在 Al 基底上。曝光时间长短决定了保留的光刻胶的厚度。再沉积一层 6nm 厚的金属 Ni，最终形成不同厚度的 FP 共振腔。
图2，构建非对称金属-介质-金属 FP 共振腔结构的流程图
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相比于传统的等离子体彩色像元（Plasmonic Color Pixel），经过如上方式构建的干涉式彩色像元具有显著的优点。干涉式彩色像元既可以通过纳米构型技术（Nanopatterning Technique）形成精细的微尺寸像元，又可以通过多级灰度光刻技术（Grayscale Photolithography）[2] 面向大面积的成色应用。从制造的角度而言，为形成稳定的色彩，等离子体彩色像元则需花费过高的成本以获得高精度的纳米图样。
为获得覆盖全色域的调色板，作者在 1μm2 像元尺寸（P，图1，下同）条件下，针对 FP 共振腔占空比（由 D 决定）和其介质层厚度（t）对成色的影响进行了系统化的研究。研究表明（图2），通过加大曝光剂量，进而增加介质层厚度，可以使 FP 共振腔在明场下的颜色由蓝色逐步变到绿色，最终到红色；而通过增加占空比，明场颜色则变得越来越鲜艳，其饱和度（Saturation）和明度（Brightness）都有所提高。特别引人注目的是，当固定厚度不变时，颜色随 FP 共振腔占空比的改变而发生渐变。这些现象为调色并进而实现全色印刷提供了丰富的手段。
图4，文章 Supporting Information 部分对复享光学设备的引用及部分微区光谱数据
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为展示这种干涉式结构色所能表达的色彩范围，作者建立了一整套可操作的流程。首先，通过调整占空比和厚度，建立色板（图3a）。其次，通过色板中每个像元的占空比与厚度参数（图3b），以及明场下的色度，建立“色度-光刻参数关系表”（图3c）。进而，根据上述关系表将所需要表达的图案的每个像元颜色翻译为实际操作的光刻参数，并最终进行多级灰度光刻（图3d）。为展示这种新型干涉式全色印刷技术在纳米尺度下的色彩还原能力，作者完成了梵高画作《向日葵》[4]和《自画像》[5] 的纳米印刷。
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