显色结构、显色结构的制备方法和防伪标识与流程

1.本技术实施例涉及结构色技术领域，尤其涉及一种显色结构、一种显色结构的制备方法和一种防伪标识。


背景技术：

2.颜色是自然界中视觉信息的重要载体，传统的化学颜料通过光吸收或发光产生颜色，但不可避免的对环境产生污染。为了克服这些缺点，人们提出了结构色的概念，其原理是入射光与材料纳米尺度的不均匀性产生的光的散射和干涉，与传统的化学染料和颜料相比更佳环保，但是目前的结构色分辨率较低。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。
4.为此，本发明的第一方面提供了一种显色结构。
5.本发明的第二方面提供了一种显色结构的制备方法。
6.本发明的第三方面提供了一种防伪标识。
7.有鉴于此，根据本技术实施例的第一方面提出了一种显色结构，包括：
8.基底层；
9.椭圆孔阵列层，形成于所述基底层上，所述椭圆孔阵列层包括多个椭圆状的通孔；
10.第一显色颗粒层，设置在所述基底层上，位于所述通孔内。
11.在一种可行的实施方式中，所述基底层包括：
12.衬底层；
13.金属薄膜层，设置在所述衬底层和所述椭圆孔阵列层之间，所述第一显色颗粒层设置在所述金属薄膜层上。
14.在一种可行的实施方式中，制备所述金属薄膜层的材料包括铝、银和金中的至少一种，所述金属薄膜层的厚度为80纳米至150纳米。
15.在一种可行的实施方式中，制备所述衬底层的材料包括硅。
16.在一种可行的实施方式中，制备所述椭圆孔阵列层的材料包括折射率在1.4至1.8之间的透明绝缘介质，所述椭圆孔阵列层的厚度为200纳米至300纳米。
17.在一种可行的实施方式中，多个椭圆状的通孔呈矩形阵列分布，矩形阵列排布的x轴排布周期为360纳米至700纳米，所述矩形阵列排布的y轴排布周期为360纳米至700纳米。
18.在一种可行的实施方式中，所述通孔的短轴直径为230纳米至525纳米，所述通孔的长轴直径为276纳米至630纳米，所述短轴直径与所述长轴直径的比值为1.2：1。
19.在一种可行的实施方式中，制备所述椭圆孔阵列层的材料包括pmma光刻胶。
20.在一种可行的实施方式中，制备所述第一显色颗粒层的材料包括纳米级的金、纳米级的银和纳米级的铝中的至少一种。
21.在一种可行的实施方式中，所述第一显色颗粒层的填充厚度为30纳米至50纳米。
22.在一种可行的实施方式中，显色结构还包括：
23.第二显色颗粒层，设置在所述椭圆孔阵列层背离于所述基底层的一侧，所述第二显色颗粒层和所述第一显色颗粒层是通过同一道工艺制备而成的，所述第二显色颗粒层的厚度为30纳米至50纳米；
24.第一介质薄膜层，形成于所述第二显色颗粒层和所述第一显色颗粒层背离于所述基底层的一侧；
25.第二介质薄膜层，设置在所述第一显色颗粒层与所述基底层之间和所述椭圆孔阵列层与所述基底层之间。
26.在一种可行的实施方式中，所述第一介质薄膜层的厚度为3纳米至10纳米，制备所述介质薄膜层的材料包括氧化铝；
27.所述第二介质薄膜层的厚度为4纳米至10纳米，制备所述介质薄膜层的材料包括氧化铝。
28.根据本技术实施例的第二方面提出了一种显色结构的制备方法，用于制备上述任一技术方案所述的显色结构，所述制备方法包括：
29.提供基底层；
30.在所述基底层上形成介质层；
31.刻蚀所述介质层，以使所述介质层上形成有多个椭圆状的通孔；
32.在所述椭圆状的通孔内设置第一显色颗粒层。
33.在一种可行的实施方式中，
34.所述在所述基底层上形成介质层的步骤包括：
35.在所述基底层上涂覆pmma光刻胶，以形成介质层；
36.所述刻蚀所述介质层，以使所述介质层上形成有多个椭圆状的通孔的步骤包括：
37.通过电子束光刻所述pmma光刻胶层，以使所述介质层上形成有多个椭圆状的通孔。
38.根据本技术实施例的第三方面提出了一种防伪标识，包括：
39.如上述任一技术方案所述的显色结构。
40.相比现有技术，本发明至少包括以下有益效果：本技术实施例提供的显色结构包括了基底层，设置在基底层上的椭圆孔阵列层和第一显色颗粒层，其中第一显色颗粒层位于椭圆孔阵列层的椭圆状的通孔内，第一显色颗粒层和通孔的内壁之间形成了法布里
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珀罗腔，当光线入射到显色结构时，光线会在第一显色颗粒层和椭圆孔阵列层之间产生生米氏共振现象，光线能够在第一显色颗粒层和椭圆孔阵列层之间进行耦合，进而使得显色结构有选择性地反射入射光，从而产生生动的颜色，本技术实施例通过在椭圆状的通孔内设置第一显色颗粒层能够提高颜色的分辨率，特别是能够在亚波长范围内具有高分辨，且与目前技术中的化学染料和颜料相比具有环境友好性以及良好的耐久性。
附图说明
41.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
42.图1为本技术提供的一种实施例的显色结构的示意性结构图；
43.图2为本技术提供的一种实施例的显色结构的另一个角度的示意性结构图；
44.图3为本技术提供的一种实施例的显色结构的又一个角度的示意性结构图；
45.图4为本技术提供的一种实施例的显色结构的制备方法的示意性步骤流程图；
46.图5为本技术提供的另一种实施例的显色结构的制备方法的示意性步骤流程图；
47.图6a至图6e为本技术提供的另一种实施例显色结构的制备方法的工艺流程图。
48.其中，图1至图3和图6a至图6e中附图标记与部件名称之间的对应关系为：
49.100基底层、200椭圆孔阵列层、300第一显色颗粒层、400第二显色颗粒层、500第一介质薄膜层、600第二介质薄膜层；
50.110衬底层、120金属薄膜层、210通孔。
具体实施方式
51.为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本技术实施例的技术方案做详细的说明，应当理解本技术实施例以及实施例中的具体特征是对本技术实施例技术方案的详细的说明，而不是对本技术技术方案的限定，在不冲突的情况下，本技术实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
52.如图1至图3所示，本技术实施例的第一方面提出了一种显色结构，包括：基底层100；椭圆孔阵列层200，形成于基底层100上，椭圆孔阵列层200包括多个椭圆状的通孔210；第一显色颗粒层300，设置在基底层100上，位于通孔210内。
53.本技术实施例提供的显色结构包括了基底层100，设置在基底层100上的椭圆孔阵列层200和第一显色颗粒层300，其中第一显色颗粒层300位于椭圆孔阵列层200的椭圆状的通孔210内，第一显色颗粒层300和通孔210的内壁之间形成了法布里
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珀罗腔，当光线入射到显色结构时，光线会在第一显色颗粒层300和椭圆孔阵列层200之间产生生米氏共振现象，光线能够在第一显色颗粒层300和椭圆孔阵列层200之间进行耦合，进而使得显色结构有选择性地反射入射光，从而产生生动的颜色，本技术实施例通过在椭圆状的通孔210内设置第一显色颗粒层300能够提高颜色的分辨率，特别是能够在亚波长范围内具有高分辨，且与目前技术中的化学染料和颜料相比具有环境友好性以及良好的耐久性。
54.可以理解的是，第一显色颗粒层300的厚度低于通孔210的高度，即第一显色颗粒层300填充通孔210的部分区域。
55.可以理解的是，通过调节椭圆状的通孔210的孔径、椭圆状的长轴直径和短轴直径，即可调节显色结构反射入射光的总类，即可控制显色结构的显色。
56.在一些示例中，基底层100包括：衬底层110；金属薄膜层120，设置在衬底层110和椭圆孔阵列层200之间，第一显色颗粒层300设置在金属薄膜层120上。
57.基底层100包括了衬底层110和设置在衬底层110上的金属薄膜层120，而椭圆孔阵列层200和第一显色颗粒层300均设置在金属薄膜层120上，金属薄膜层120与椭圆孔阵列层200即可形成法布里
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珀罗腔，而第一显色颗粒层300位于法布里
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珀罗腔内，金属薄膜层120可作为法布里
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珀罗腔中的全反镜部分，能够进一步提高显色结构的分辨率，同时通过金属薄膜层120的设置可以对椭圆孔阵列层200和第一显色颗粒层300起到支撑的作用，能够提高机械强度。
58.在一些示例中，制备金属薄膜层120的材料包括铝、银和金中的至少一种，金属薄膜层120的厚度为80纳米至150纳米。
59.金属薄膜层120的材料包括铝、银和金中的至少一种，金和银为贵金属材料化学性能稳定，而铝材在自然状态下会在铝材的表面形成氧化层同样具备较强的化学稳定性，因此通过铝、银和金的选取能够提高金属薄膜层120的使用寿命，同时能够提高种显色结构的分辨率。
60.金属薄膜层120的厚度为80纳米至150纳米，能够保障金属薄膜层120与椭圆孔阵列层200即可形成法布里
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珀罗腔，确保属薄膜层可作为法布里
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珀罗腔中的全反镜部分，保障了显色结构的显色性能。
61.在一些示例中，制备衬底层110的材料包括硅。
62.硅材衬底易于获取且成本低廉，有利于降低显色结构的生产成本，同时硅材衬底能够起到支撑金属薄膜层120、椭圆孔阵列层200和第一显色颗粒层300的作用，同时硅材衬底不会影响显色结构的显色。
63.在一些示例中，制备椭圆孔阵列层200的材料包括折射率在1.4至1.8之间的透明绝缘介质，椭圆孔阵列层200的厚度为200纳米至300纳米。
64.制备椭圆孔阵列层200的材料包括折射率在1.4至1.8之间的透明绝缘介质，明确了椭圆孔阵列层200的取材范围，通过1.4至1.8之间的透明绝缘介质的选取，确保了光线在入射到显色结构时，能够在椭圆孔阵列层200和第一显色颗粒层300之间产生生米氏共振现象，确保显色结构能够有选择性地反射入射光，从而产生生动的颜色。
65.如图3所示，其中图3中竖直方向即为y轴排布方向，横向方向即为x轴排布方向，p1即为y轴排布周期，p2即为x轴排布周期，在一些示例中，多个椭圆状的通孔210呈矩形阵列分布，矩形阵列排布的x轴排布周期为360纳米至700纳米，矩形阵列排布的y轴排布周期为360纳米至700纳米。
66.多个椭圆状的通孔210呈矩形阵列分布，而第一显色颗粒层300设置在通孔210内，使得第一显色颗粒层300同样呈矩形阵列分布，如此设置使得显色结构带有偏振转换的功能，通过该结构反射回来的x线性偏振光会转化为y线性偏振光。这种现象通过将光经过起偏器，然后照射到该结构上，再将反射的光通过检偏器就能清晰的观测到，最终的效果就是白光经过该结构后被转化为色彩鲜艳的结构色。
67.x轴排布周期和y轴排布周期均为360纳米至700纳米，进一步明确了椭圆孔阵列层200上椭圆状的通孔210的布局方式，能够保障显色结构的分辨率。
68.在一些示例中，通孔210的短轴直径为230纳米至525纳米，通孔210的长轴直径为276至630纳米，短轴直径与长轴直径的比值为1.2：1。
69.通孔210的短轴直径为230纳米至525纳米，通孔210的长轴直径为276至630纳米，短轴直径与长轴直径的比值为1.2：1，进一步明确了通孔210的形状，通过该短轴直径和长轴直径的范围选取和短轴直径与长轴直径的比值为1.2：1的比值选取，使得该显色结构能够在亚波长范围内具有高分辨。
70.在一些示例中，制备椭圆孔阵列层200的材料包括pmma光刻胶。
71.制备椭圆孔阵列层200的材料包括pmma光刻胶，在制备过程中可以在基底层100上涂覆pmma光刻胶，而后再对pmma光刻胶进行光刻，即可在pmma光刻胶上形成多个椭圆状的
通孔210，能够在一道工艺中形成多个阵列设置的椭圆状的通孔210，利于简化半导体加工的工艺，能够降低生产成本；另一方面，pmma光刻胶的成本较低，且通过pmma光刻胶制备形成的椭圆孔阵列层200能够激发生米氏共振，利于降低显色结构的成本，利于推广显色结构。
72.在一些示例中，制备第一显色颗粒层300的材料包括纳米级的金、纳米级的银和纳米级的铝中的至少一种。
73.金和银为贵金属材料化学性能稳定，而铝材在自然状态下会在铝材的表面形成氧化层同样具备较强的化学稳定性，因此通过铝、银和金的选取能够提高第一显色颗粒层300的使用寿命，同时能够提高种显色结构的分辨率。
74.在一些示例中，第一显色颗粒层300的填充厚度为30纳米至50纳米。
75.第一显色颗粒层300的填充厚度为30纳米至50纳米，进一步明确了第一显色颗粒层300的填充厚度，能够提高显色结构的分辨率，如若第一显色颗粒层300的厚度低于30纳米，则会使得显色结构的显色偏向于黑色，有可能会导致显色结构的分辨率降低，而第一显色颗粒层300的填充厚度大于50纳米，一方面会增加工艺成本，另一方面会使显色结构的分辨率降低。
76.在一些示例中，显色结构还包括：第二显色颗粒层400，设置在椭圆孔阵列层200背离于基底层100的一侧，第二显色颗粒层400和第一显色颗粒层300是通过同一道工艺制备而成的，第二显色颗粒层400的厚度为30纳米至50纳米；第一介质薄膜层500，形成于第二显色颗粒层400和第一显色颗粒层300背离于基底层100的一侧；第二介质薄膜层600，设置在第一显色颗粒层300与基底层100之间和椭圆孔阵列层200与基底层100之间。
77.显色结构还包括了第二显色颗粒层400，第二显色颗粒层400设置在椭圆孔阵列层200背离于基底层100的一侧，第二显色颗粒层400、椭圆孔阵列层200和基底层100之间可以形成法布里
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珀罗腔，而光线在入射到显色结构时，部分光线可以透过第二显色颗粒层400，另外一部分可以被第二显色颗粒层400反射，第二显色颗粒层400可以作为法布里
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珀罗腔中的半反镜。
78.第二显色颗粒层400和第一显色颗粒层300是通过同一道工艺制备而成的，通过一道工艺同时形成第二显色颗粒层400和第一显色颗粒层300能够进一步降低显色结构的生产成本。
79.第二显色颗粒层400的厚度为30纳米至50纳米，第二显色颗粒层400的厚度相对较薄，使得光线在入射到显色结构时，部分光线可以透过第二显色颗粒层400，另外一部分可以被第二显色颗粒层400反射。
80.显色结构还包括第一介质薄膜层500，形成于第二显色颗粒层400和第一显色颗粒层300上，第一介质薄膜层500可以对第二显色颗粒层400和第一显色颗粒层300进行保护，当第二显色颗粒层400和第一显色颗粒层300由铝材制成时，第一介质薄膜层500可以为由铝材氧化形成的氧化层，当第二显色颗粒层400和第一显色颗粒层300由银材制成时，为了避免银氧化变黑，可以在第二显色颗粒层400和第一显色颗粒层300上生长氧化硅作为第一介质层对第二显色颗粒层400和第一显色颗粒层300进行保护。
81.显色结构还包括第二介质薄膜层600，第二介质薄膜层600设置在基底层100上，第二介质薄膜层600可以对金属薄膜层120进行保护，当金属薄膜层120由铝材制成时，第二介
质薄膜层600可以为由铝材氧化形成的氧化层，当金属薄膜层120由银材制成时，为了避免银氧化变黑，可以在金属薄膜层120上生长氧化硅作为第二介质层对第二显色颗粒层400和第一显色颗粒层300进行保护。
82.在一些示例中，第一介质薄膜层500的厚度为3纳米至10纳米，制备介质薄膜层的材料包括氧化铝；第二介质薄膜层600的厚度为4纳米至10纳米，制备介质薄膜层的材料包括氧化铝。
83.第一介质薄膜层500的厚度为3纳米至10纳米，第二介质薄膜层600的厚度为4纳米至10纳米，使得第一介质薄膜层500和第二介质薄膜层600的厚度较低，既能够起到保护作用又不会影响到显色结构的显色。制备介质薄膜层的材料包括氧化铝，制备介质薄膜层的材料包括氧化铝可以通过铝材氧化直接获取，制备更加简单，利于降低生产成本。
84.如图4所示，根据本技术实施例的第二方面提出了一种显色结构的制备方法，用于制备上述任一技术方案的显色结构，制备方法包括：
85.步骤101：提供基底层。
86.步骤102：在基底层上形成介质层。
87.步骤103：刻蚀介质层，以使介质层上形成有多个椭圆状的通孔。
88.步骤104：在椭圆状的通孔内设置第一显色颗粒层。
89.本技术实施例提供的显色结构的制备方法，现在基底层上形成介质层，而后对介质层进行刻蚀，即可使基底层上形成椭圆孔阵列层，最后在椭圆孔阵列层的通孔内设置第一显色颗粒层即可形成显色结构。该显色结构包括了基底层，设置在基底层上的椭圆孔阵列层和第一显色颗粒层，其中第一显色颗粒层位于椭圆孔阵列层的椭圆状的通孔内，第一显色颗粒层和通孔的内壁之间形成了法布里
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珀罗腔，当光线入射到显色结构时，光线会在第一显色颗粒层和椭圆孔阵列层之间产生生米氏共振现象，光线能够在第一显色颗粒层和椭圆孔阵列层之间进行耦合，进而使得显色结构有选择性地反射入射光，从而产生生动的颜色，本技术实施例通过在椭圆状的通孔内设置第一显色颗粒层能够提高颜色的分辨率，特别是能够在亚波长范围内具有高分辨，且与目前技术中的化学染料和颜料相比具有环境友好性以及良好的耐久性。
90.在一些示例中，在基底层上形成介质层的步骤包括：在基底层上涂覆pmma光刻胶，以形成介质层；刻蚀介质层，以使介质层上形成有多个椭圆状的通孔的步骤包括：通过电子束光刻pmma光刻胶层，以使介质层上形成有多个椭圆状的通孔。
91.通过在基底层上涂覆pmma光刻胶层，基于pmma光刻胶制备介质层，一方面降低了工艺难度，利于实施；另一方面，pmma光刻胶的成本较低，利于降低显色结构的成本。
92.电子束光刻pmma光刻胶层以在介质层上形成多个椭圆状的通孔，进一步降低了工艺难度。
93.如图5所示，在一些示例中，显色结构的制备方法包括：
94.步骤201：提供基底层；
95.步骤202：在基底层上离子束溅射生长第一铝薄膜层；
96.步骤203：将第一铝薄膜层在空气中放置1小时到2个小时，以在第一铝薄膜层上形成氧化铝超薄介质薄膜；
97.步骤204：在氧化铝超薄介质薄膜上旋涂上pmma光刻胶，以形成介质层；
98.步骤205：通过电子束光刻介质层，形成椭圆孔阵列层；
99.步骤206：在椭圆孔阵列层上，通过电子束蒸发生长第二铝薄膜层；
100.步骤207：将第一铝薄膜层在空气中放置1小时到2个小时，以在第二铝薄膜层上形成氧化铝超薄介质薄膜。
101.如图6a至图6e所示，其中，设置在基底层100上的第二铝薄膜层即为第一显色颗粒层300，设置在椭圆孔阵列层200上的第二铝薄膜层即为第二显色颗粒层400，形成于第二铝薄膜层上的氧化铝超薄介质薄膜即为第一介质薄膜层500；形成于第一铝薄膜层上的氧化铝超薄介质薄膜即为第二介质薄膜层600。
102.通过该方法制备的显色结构包括了基底层100，设置在基底层100上的椭圆孔阵列层200和第一显色颗粒层300，其中第一显色颗粒层300位于椭圆孔阵列层200的椭圆状的通孔210内，第一显色颗粒层300和通孔210的内壁之间形成了法布里
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珀罗腔，当光线入射到显色结构时，光线会在第一显色颗粒层300和椭圆孔阵列层200之间产生生米氏共振现象，光线能够在第一显色颗粒层300和椭圆孔阵列层200之间进行耦合，进而使得显色结构有选择性地反射入射光，从而产生生动的颜色，本技术实施例通过在椭圆状的通孔210内设置第一显色颗粒层300能够提高颜色的分辨率，特别是能够在亚波长范围内具有高分辨，且与目前技术中的化学染料和颜料相比具有环境友好性以及良好的耐久性。
103.根据本技术实施例的第三方面提出了一种防伪标识，包括：如上述任一技术方案的显色结构。
104.本技术实施例提供的防伪标识包括了上述任一技术方案的显色结构，因此该防伪标识具备显色结构的全部有益效果。
105.该防伪标识可以设置在半导体器件上，例如设置在芯片上，一方面能以对芯片的真伪进行鉴别，另一方面能够对芯片的生产进行溯源。
106.在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
107.本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。
108.在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
109.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。