基于等离激元颗粒的透明显示屏

1.本实用新型属于透明显示技术领域，具体涉及一种基于等离激元颗粒的透明显示屏。


背景技术：

2.近些年，透明显示技术越来越受到人们的关注，因其透明的显示面板这一特性，可用作平视显示器(head
‑
up display，hud)，头戴式投影显示器(head mounted projection displays, hmpd)及适用于建筑窗户与商店橱窗上的悬浮显示(floating displays)等，逐渐成为当代显示技术发展的趋势。其中hud技术发展迅速，在军工领域，其可以把飞行数据投射到驾驶员正前方透明显示组件上，使得驾驶员能够在保持不影响获取驾驶舱外界实景信息的平视状态下，同时注视透明显示面板上的导航数据、驾驶环境等来指引驾驶。因此对于改善驾驶品质，提高飞机的作战效能、可靠性，保障驾驶员的安全等方面具有极其重要的作用。也由此，民航客机以及一些高端汽车也因其方便性与安全性，相继安装使用，提高用户驾驶体验，市场前景广阔。但目前投射式hud的观察角度，透明度和信号光亮度仍然有待进一步提高。
3.随着纳米加工和表征技术的快速发展，金属微纳结构的表面等离激元共振逐渐成为当前物理、化学、材料、信息科学、生命科学等学科及其交叉领域的研究热点。研究发现，将具有波长选择性表面等离激元共振的纳米颗粒应用到透明显示屏中，颗粒选择性增强投射光的散射，并在可见光波段支持较窄的模式线宽，在提高透明显示性能方面具有很大的潜力。
4.美国麻省理工大学的hsu等人利用支持 sp共振的银球结构，使用涂覆、旋涂这种纳米结构的方法在实验上实现了高对比度的透明蓝光显示(cn105027184a)。日本东京大学的saito等人利用银纳米立方颗粒的sp共振和tio2衬底之间的相互作用获得的两个散射峰，实验上实现了透明彩色透明显示。新加坡南洋理工大学的ye等人利用ag@tio2核壳结构的sp共振实现了透明绿光显示。但是，所用的金属颗粒以及核壳结构制备工艺繁琐、耗时长，而且需要保证颗粒均匀分布在基体中，对制备环境、制备方法要求较高。最近，相关专利(cn108997687a)给出一种混合对红、绿、蓝三种色光（限制波段为660nm、560nm、450nm）响应的几种纳米颗粒来实现彩色透明显示，同样的问题在于，其使用的纳米颗粒制备过程中需要测量仪器辅助测量，颗粒尺寸精度要求较高，因此制备方式较为复杂，且也是使用混合溶液涂覆的方式来制备薄膜，制备周期较长。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中的不足之处，提供一种结构简单、易于制作、可批量生产的基于等离激元颗粒的透明显示屏。
6.为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：基于等离激元颗粒的透明显示屏，包括水平设置的透明基体，透明基体上表面依次设有蓝光显示金属颗粒层、绿光显
示金属颗粒层和红光显示金属颗粒层。
7.蓝光显示金属颗粒层包括若干银纳米颗粒，银纳米颗粒外部包裹氧化铝薄膜，在氧化铝薄膜外部上方镀有第一层二氧化硅透明介质层。
8.银纳米颗粒半径为30nm，氧化铝薄膜厚度为10nm，氧化铝薄膜折射率为1.59，第一层二氧化硅透明介质层折射率为1.45，第一层二氧化硅介质层厚度为120
‑
200nm。
9.绿光显示金属颗粒层包括若干银纳米颗粒，银纳米颗粒外部包裹二氧化钛薄膜，在二氧化钛薄膜外部上方镀有第二层二氧化硅透明介质层。
10.银纳米颗粒半径为30nm，二氧化钛薄膜厚度为10nm，二氧化钛薄膜折射率为2.45，第二层二氧化硅透明介质层折射率为1.45，第二层二氧化硅介质层厚度为120
‑
200nm。
11.红光显示金属颗粒层包括若干金纳米颗粒，金纳米颗粒外部包裹二氧化钛薄膜，在二氧化钛薄膜外部上方镀有第三层二氧化硅透明介质层。
12.银纳米颗粒半径为35nm，二氧化钛薄膜厚度为15nm，二氧化钛薄膜折射率为2.45，第三层二氧化硅透明介质层折射率为1.45；第三层二氧化硅介质层厚度为120
‑
200nm。
13.采用上述技术方案，基于等离激元颗粒的透明显示屏的制作工艺，包括以下步骤：
14.（1）使用氩离子溅射镀膜仪或电子束热蒸发镀膜仪在透明基体上表面镀一层银膜，透明基体的材料采用玻璃、塑料、树脂或聚合物；
15.（2）对所镀银膜的透明基体放入退火装置内进行退火处理；退火装置可采用管式炉；
16.（3）退火处理后在透明基体表面得到银纳米颗粒，银纳米颗粒尺寸与膜厚度有关；根据mie散射理论计算得出颗粒尺寸；
17.（4）使用原子层沉积方法在银纳米颗粒外部包裹一层氧化铝薄膜，形成银
‑
氧化铝核壳结构；
18.（5）使用氩离子溅射镀膜仪或电子束热蒸发镀膜仪在氧化铝薄膜外部上方镀第一层二氧化硅透明介质层；
19.（6）采用如步骤（1）的方式在第一层二氧化硅透明介质层表面镀一层银膜；
20.（7）采用如步骤（2）的方式对所镀银膜的透明基体放入退火装置内进行退火处理；
21.（8）退火处理后得到银纳米颗粒，银纳米颗粒尺寸与膜厚度有关；根据mie散射理论计算得出颗粒尺寸；
22.（9）采用如步骤（4）的方式使用原子层沉积方法在银纳米颗粒外部包裹一层二氧化钛薄膜，形成银
‑
二氧化钛核壳结构；
23.（10）采用如步骤（5）的方式在二氧化钛薄膜外部上方镀第二层二氧化硅透明介质层；
24.（11）采用如步骤（1）或步骤（6）的方式在第二层二氧化硅透明介质层表面镀一层金膜；
25.（12）采用如步骤（2）的方式对所镀金膜的透明基体放入退火装置内进行退火处理；
26.（13）退火处理后得到金纳米颗粒，金纳米颗粒尺寸与膜厚度有关；根据mie散射理论计算得出颗粒尺寸；
27.（14）采用如步骤（4）的方式使用原子层沉积方法在金纳米颗粒外部包裹一层二氧
化钛薄膜，形成金
‑
二氧化钛核壳结构；
28.（15）采用如步骤（5）的方式在二氧化钛薄膜外部上方镀第三层二氧化硅介质层。
29.步骤（1）使用电子束热蒸发镀膜仪在玻璃表面镀银膜，具体步骤如下：将清洗洁净的8cm
×
8cm的光学玻璃放入电子束热蒸发镀膜仪的基片架上，将纯度99.99%的银颗粒放入蒸发用的钨坩埚内，真空度抽到5
×
10
‑
4pa以下，开始镀膜；在镀膜过程中可通过控制电子束电流大小控制镀膜速率，通过调节镀膜速率和时间控制膜厚。
30.步骤（1）还可以使用氩离子溅射镀膜仪在玻璃表面镀银，具体步骤如下：把清洗洁净的8cm
×
8cm的光学玻璃放入氩离子溅射镀膜仪的样品杆载物台内，将样品杆载物台推入氩离子溅射镀膜仪中，抽真空，待真空度抽到5
×
10
‑
4pa以下，开始溅射镀膜；调节电子枪工作电压和电流，推荐参数7kv/300ua，银的镀膜速率为8nm/min；最终得到的银颗粒尺寸与镀膜时间有关，时间分别控制为15s、30s、45s、60s、75s得到膜状结构，其中30s
‑
75s的银颗粒为岛状。
31.步骤（4）的具体过程为：以三甲基铝和高纯水作为反应源，高纯n2作为吹洗气体，在金属纳米颗粒外部生长出氧化铝透明介质，沉积温度: 120℃，三甲基铝脉冲时间:0.2
‑
0.6s; 高纯水脉冲时间: 0.3s; 吹扫时间: 10s; 循环周期: 25 次。
32.金属膜的厚度取决于镀膜生长速率和时间，金属可以是银，金或者铝等。如果需要金属颗粒的结构是核壳结构，则在金属颗粒形成后，使用原子层沉积（ald）方法在金属颗粒外部生长透明介质层。最后在金属颗粒上方镀一层透明薄膜，该过程可以防止金属颗粒在空气中氧化，也可以调节共振位置，薄膜材料是透明的，且不唯一。金属颗粒的均匀分布是靠镀膜方式实现的。
33.综上所述，本实用新型整体具有以下有益效果：
34.（1）本实用新型采用一种新的制作工艺。采用氩离子溅射镀膜仪与电子束热蒸发镀膜仪，在光学玻璃基体上镀上一层金属膜，然后经退火处理后得到具有强波长选择性光学天线功能的金属颗粒，采用ald法在金属颗粒包裹一层透明介质，调节不同的共振波长，从而实现红、绿、蓝三色透明显示。再在上方镀一层二氧化硅环境介质，不仅能对金属颗粒的共振位置进行调节，而且可以有效防止金属颗粒氧化。依次制备出红、绿、蓝三种颜色的透明显示薄膜，最终得到所需透明显示屏。制备过程简单，金属颗粒分布均匀，且可以通过控制镀膜时间来控制金属颗粒的尺寸。
35.（2）镀膜所使用的金属靶材的价格远低于其他方法获得的金属颗粒，造价低廉，市场前景广阔。
36.（3）本实用新型制备作业周期短，节省时间成本，更有效率。
37.（4）本实用新型通过简单的镀膜和退火工艺，能够形成形状规则且大小、共振波段可控的纳米颗粒，从而有效吸收蓝光并减小薄膜发黄，具有重要的应用价值。
38.(5) 该透明显示屏包含透明基体和实现红、绿、蓝三色光强散射的金属纳米颗粒层，这些金属纳米颗粒具有波长选择性强共振散射特征，因此用共振波长附近的光在该屏上投影，屏幕上能显示出清晰的图案。而且由于屏幕对非共振波长的光几乎透明的特性，不影响观察其后方的物体，实现透明显示。该方法全程采用物理气相沉积的方法制备，首先在透明基体上镀一层金属膜；然后将其放入退火装置进行退火处理，在透明基体上形成金属纳米颗粒；最后在金属颗粒上方生长具有波长调节功能的介质层以及二氧化硅环境介质，
调节共振散射的位置，从而调节显示的颜色。利用先镀膜后退火处理这种模式，改变镀膜时间，能够方便地得到不同尺寸的金属纳米颗粒，从而实现共振波长的调节。该工艺和之前基于银纳米颗粒溶液涂敷、干燥制备方法相比，具有造价低廉，制备周期短，显示波长方便调谐等优势，具有重要的应用价值。
附图说明
39.图1是本实用新型的透明显示屏的层状结构示意图。
具体实施方式
40.如图1所示，本实用新型的基于等离激元颗粒的透明显示屏，包括水平设置的透明基体23，透明基体23上表面依次设有蓝光显示金属颗粒层24、绿光显示金属颗粒层25和红光显示金属颗粒层26。蓝光显示金属颗粒层24、绿光显示金属颗粒层25和红光显示金属颗粒层26的上下位置可以任意调整。
41.蓝光显示金属颗粒层24包括若干银纳米颗粒，银纳米颗粒外部包裹氧化铝薄膜，在氧化铝薄膜外部上方镀有第一层二氧化硅透明介质层；
42.银纳米颗粒半径为30nm，氧化铝薄膜厚度为10nm，氧化铝薄膜折射率为1.59，第一层二氧化硅透明介质层折射率为1.45，第一层二氧化硅介质层厚度为120
‑
200nm。
43.绿光显示金属颗粒层25包括若干银纳米颗粒，银纳米颗粒外部包裹二氧化钛薄膜，在二氧化钛薄膜外部上方镀有第二层二氧化硅透明介质层；
44.银纳米颗粒半径为30nm，二氧化钛薄膜厚度为10nm，二氧化钛薄膜折射率为2.45，第二层二氧化硅透明介质层折射率为1.45，第二层二氧化硅介质层厚度为120
‑
200nm。
45.红光显示金属颗粒层26包括若干金纳米颗粒，金纳米颗粒外部包裹二氧化钛薄膜，在二氧化钛薄膜外部上方镀有第三层二氧化硅透明介质层；
46.银纳米颗粒半径为35nm，二氧化钛薄膜厚度为15nm，二氧化钛薄膜折射率为2.45，第三层二氧化硅透明介质层折射率为1.45；第三层二氧化硅介质层厚度为120
‑
200nm。
47.基于等离激元颗粒的透明显示屏的制作工艺，包括以下步骤：
48.（1）使用氩离子溅射镀膜仪或电子束热蒸发镀膜仪在透明基体23上表面镀一层银膜，透明基体23的材料采用玻璃、塑料、树脂或聚合物；
49.（2）对所镀银膜的透明基体23放入退火装置内进行退火处理；
50.（3）退火处理后在透明基体23表面得到银纳米颗粒，银纳米颗粒尺寸与膜厚度有关；根据mie散射理论计算得出颗粒尺寸；
51.（4）使用原子层沉积方法在银纳米颗粒外部包裹一层氧化铝薄膜，形成银
‑
氧化铝核壳结构；
52.（5）使用氩离子溅射镀膜仪或电子束热蒸发镀膜仪在氧化铝薄膜外部上方镀第一层二氧化硅透明介质层；
53.（6）采用如步骤（1）的方式在第一层二氧化硅透明介质层表面镀一层银膜；
54.（7）采用如步骤（2）的方式对所镀银膜的透明基体23放入退火装置内进行退火处理；
55.（8）退火处理后得到银纳米颗粒，银纳米颗粒尺寸与膜厚度有关；根据mie散射理
论计算得出颗粒尺寸；
56.（9）采用如步骤（4）的方式使用原子层沉积方法在银纳米颗粒外部包裹一层二氧化钛薄膜，形成银
‑
二氧化钛核壳结构；
57.（10）采用如步骤（5）的方式在二氧化钛薄膜外部上方镀第二层二氧化硅透明介质层；
58.（11）采用如步骤（1）或步骤（6）的方式在第二层二氧化硅透明介质层表面镀一层金膜；
59.（12）采用如步骤（2）的方式对所镀金膜的透明基体23放入退火装置内进行退火处理；
60.（13）退火处理后得到金纳米颗粒，金纳米颗粒尺寸与膜厚度有关；根据mie散射理论计算得出颗粒尺寸；
61.（14）采用如步骤（4）的方式使用原子层沉积方法在金纳米颗粒外部包裹一层二氧化钛薄膜，形成金
‑
二氧化钛核壳结构；
62.（15）采用如步骤（5）的方式在二氧化钛薄膜外部上方镀第三层二氧化硅介质层。
63.步骤（1）使用电子束热蒸发镀膜仪在玻璃表面镀银膜，具体步骤如下：将清洗洁净的8cm
×
8cm的光学玻璃放入电子束热蒸发镀膜仪的基片架上，将纯度99.99%的银颗粒放入蒸发用的钨坩埚内，真空度抽到5
×
10
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4pa以下，开始镀膜；在镀膜过程中可通过控制电子束电流大小控制镀膜速率，通过调节镀膜速率和时间控制膜厚。
64.步骤（1）还可以使用氩离子溅射镀膜仪在玻璃表面镀银，具体步骤如下：把清洗洁净的8cm
×
8cm的光学玻璃放入氩离子溅射镀膜仪的样品杆载物台内，将样品杆载物台推入氩离子溅射镀膜仪中，抽真空，待真空度抽到5
×
10
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4pa以下，开始溅射镀膜；调节电子枪工作电压和电流，推荐参数7kv/300ua，银的镀膜速率为8nm/min；最终得到的银颗粒尺寸与镀膜时间有关，时间分别控制为15s、30s、45s、60s、75s得到膜状结构，其中30s
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75s的银颗粒为岛状。
65.步骤（4）的具体过程为：以三甲基铝和高纯水作为反应源，高纯n2作为吹洗气体，在金属纳米颗粒外部生长出氧化铝透明介质，沉积温度: 120℃，三甲基铝脉冲时间:0.2
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0.6s; 高纯水脉冲时间: 0.3s; 吹扫时间: 10s; 循环周期: 25 次。
66.基于等离激元颗粒的透明显示屏的制作工艺中所采用的设备及相关工艺技术均为本领域技术人员熟知掌握的，具体原理不再进一步赘述。
67.以上实施例说明了本实用新型的基本原理和特点，但上述仅仅说明了本实用新型的较优实施例，并不受所述实施例的限制。本领域的普通技术人员在本专利的启发下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式变形和改进，这些均属于本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型专利和保护范围应以所附权利要求书为准。