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▌微區光譜在結構色及全色印刷研究中的應用
對一種可用于微觀干涉式全色印刷術的多級灰度 Fabry-Perot 共振腔的微區光譜表征
結構色 全色印刷 多級灰度 FP 共振腔 微區光譜 干涉式彩色像元
【概述】2017 年 1 月，湖南大學段輝高教授團隊在 Advanced Optical Materials 雜志發表了一篇題為《Microscopic Interference Full-Color Printing Using Grayscale-Patterned Fabry-Perot Resonance Cavities》的文章。文章報道了一種基于非對稱 Fabry-Perot (FP) 共振腔的，可低成本制造的，并可實現單片集成（Monolithic）的 干涉式全色印刷術（Interference Full-Color Printing）。
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| 圖1，干涉式全色印刷術重構的梵高畫作《向日葵》及非對稱 FP 共振腔的單片集成示意圖 |
相較于傳統的基于衍射或表面等離子體效應的結構色，基于相干相消效應的干涉式結構色既可以低成本地應用于大面積制造，又可以應用于微小器件的納米印刷。同時，該技術還避免了虹彩效應，因而可在更加廣泛的領域得以應用。作者創造性地提出了一種具有多級灰度的 Al 基-HSQ 介質-超薄 Ni 吸收層的非對稱 FP 共振腔及由其組成的干涉式彩色像元（Interference Color Pixel），并對其成色效果展開了系統化的研究。
【樣品 & 測試】作者采用如下方式（圖2）構建了一種非對稱的金屬-介質-金屬 FP 共振腔結構。首先，通過電子束蒸發形成約 100nm 厚的 Al 層。其次，在 Al 基底上旋涂一層 HSQ 光刻膠，進而通過電子束光刻系統（EBL）對光刻膠進行曝光。顯影后經過曝光的光刻膠可保留在 Al 基底上。曝光時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）構建了一種非對稱的金屬-介質-金屬 FP 共振腔結構。首先，通過電子束蒸發形成約 100nm 厚的 Al 層。其次，在 Al 基底上旋涂一層 HSQ 光刻膠，進而通過電子束光刻系統（EBL）對光刻膠進行曝光。顯影后經過曝光的光刻膠可保留在 Al 基底上。曝光時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，構建非對稱金屬-介質-金屬 FP 共振腔結構的流程圖 |
相比于傳統的等離子體彩色像元（Plasmonic Color Pixel），經過如上方式構建的干涉式彩色像元具有顯著的優點。干涉式彩色像元既可以通過納米構型技術（Nanopatterning Technique）形成精細的微尺寸像元，又可以通過多級灰度光刻技術（Grayscale Photolithography）[2] 面向大面積的成色應用。從制造的角度而言，為形成穩定的色彩，等離子體彩色像元則需花費過高的成本以獲得高精度的納米圖樣。
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| 圖3，在微納尺度下構建彩色圖案的全過程 |
為獲得覆蓋全色域的調色板，作者在 1μm2 像元尺寸（P，圖1，下同）條件下，針對 FP 共振腔占空比（由 D 決定）和其介質層厚度（t）對成色的影響進行了系統化的研究。研究表明（圖2），通過加大曝光劑量，進而增加介質層厚度，可以使 FP 共振腔在明場下的顏色由藍色逐步變到綠色，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，當固定厚度不變時，顏色隨 FP 共振腔占空比的改變而發生漸變。這些現象為調色并進而實現全色印刷提供了豐富的手段。
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| 圖4，文章 Supporting Information 部分對復享光學設備的引用及部分微區光譜數據 |
為展示這種干涉式結構色所能表達的色彩范圍，作者建立了一整套可操作的流程。首先，通過調整占空比和厚度，建立色板（圖3a）。其次，通過色板中每個像元的占空比與厚度參數（圖3b），以及明場下的色度，建立“色度-光刻參數關系表”（圖3c）。進而，根據上述關系表將所需要表達的圖案的每個像元顏色翻譯為實際操作的光刻參數，并終進行多級灰度光刻（圖3d）。為展示這種新型干涉式全色印刷技術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】綜上所述，段輝高教授團隊展示了一種簡單而有效的全色印刷術，通過使用成本低廉的 Al 和 Ni 金屬構建非對稱 FP 共振腔，再調控占空比和 FP 共振腔厚度實現全色域（Brightness, Hue, Saturation）的色彩表達。相比于基于等離子體效應的結構色，該項技術的大特點在于既可以構建微納尺度的像元，又可以進行宏觀大尺度的制備，并且在保持準確的色彩表達前提下具有低成本、易于控制的優點。因此，該項技術有望成為替代傳統染料印刷，解決環境污染問題的新型綠色印刷技術。
由復享光學提供的基于 Olympus 顯微鏡的 微區光譜測量方案（FIB-M、CMS等）和 微區定位技術 對本文作者在微觀條件下快速實現大量光譜測量起到了至關重要的作用。圖4 所示為作者在 Supporting Information 部分對復享光學產品的標注。▌
【參考文獻】
? Yang, Zhengmei, et al. "Microscopic Interference Full‐Color Printing Using Grayscale‐Patterned Fabry–Perot Resonance Cavities." Advanced Optical Materials 5.10 (2017). Link
? 多級灰度光刻（Grayscale Lithography）技術介紹
? 湖南大學微納光電器件及應用教育部重點實驗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》
由復享光學提供的基于 Olympus 顯微鏡的 微區光譜測量方案（FIB-M、CMS等）和 微區定位技術 對本文作者在微觀條件下快速實現大量光譜測量起到了至關重要的作用。圖4 所示為作者在 Supporting Information 部分對復享光學產品的標注。▌
【參考文獻】
? Yang, Zhengmei, et al. "Microscopic Interference Full‐Color Printing Using Grayscale‐Patterned Fabry–Perot Resonance Cavities." Advanced Optical Materials 5.10 (2017). Link
? 多級灰度光刻（Grayscale Lithography）技術介紹
? 湖南大學微納光電器件及應用教育部重點實驗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》
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