Mehrfarbendruck im Zentimetermaßstab mit einem pixeligen optischen Hohlraum

Strukturfarben entstehen durch Wechselwirkungen zwischen Licht und Nanostrukturen. Das Engineering von Strukturfarben ist ein vielversprechendes, sich schnell entwickelndes Forschungsgebiet. Im Vergleich zur konventionellen Lackiertechnik mit chemischen Farbstoffen hat Strukturfarbe ein breiteres Spektrum an technologischen Anwendungen für das Farbmanagement. Unter anderem dank ihrer hervorragenden Haltbarkeit bietet Strukturfarbe einen umweltfreundlichen Weg für den Farbdruck.

Wenn das Farbmanagement eine hohe spektrale Auflösung oder eine steuerbare spektrale Bandbreite erfordert, verlassen sich photonische Gerätedesigns auf verschiedene physikalische Mechanismen wie Mehrschichtinterferenz, Beugung, plasmonische Resonanz und Fabry-Perot (F–P)-Resonatoreffekte. Insbesondere der F-P-Hohlraumeffekt hat wissenschaftliches Interesse geweckt. Im Vergleich zu anderen Technologien haben Farben, die aus dem F-P-Hohlraum erzeugt werden, normalerweise weniger Übersprechen und eine größere Klarheit.

Für Farbdruckanwendungen wurden F-P-Hohlräume sowohl vom Reflexions- als auch vom Transmissionstyp mit räumlich variierenden Abstandshalterdicken umfassend untersucht. Die Herstellung von pixelierten F-P-Hohlräumen stützte sich hauptsächlich auf die Elektronenstrahllithographie (EBL) und verwandte Prozesse.

Die EBL-basierte Technik hat eine hohe räumliche Auflösung, aber der Herstellungsprozess ist normalerweise zeitaufwändig, so dass die meisten der gemeldeten Probengrößen sehr klein sind – im Submillimeterbereich. Die schnelle Herstellung von großflächigen Farbdruckgeräten vom F-P-Typ mit hoher räumlicher Auflösung bleibt eine Herausforderung.

Wie in berichtet Advanced Photonics Nexushaben Forscher der Southern University of Science and Technology (SUSTech) in Shenzhen kürzlich eine Methode entwickelt, um mithilfe der Graustufenlithographie einen Farbdruck im Zentimetermaßstab zu erreichen. Das bunte Bild mit mehreren Farbkomponenten wird zunächst in ein vordefiniertes Graustufenmuster umgewandelt und dann durch Steuerung der Belichtungsdosis während des Graustufen-Laserschreibprozesses auf die Fotoresistschicht graviert.

Pixelierte Photoresist-Abstandsschichten werden zwischen zwei semitransparenten dünnen Silberschichten angeordnet, um die F-P-Hohlräume zu bilden. Die Transmissionsfarbe kann im sichtbaren Spektralbereich durch Feinsteuerung der Dicke der Photoresistschicht kontinuierlich abgestimmt werden. Im sichtbaren Bereich liegt die Transmissionseffizienz der hergestellten F-P-Kavitäten zwischen 39 % und 50 %. Der pixelierte F-P-Hohlraum im Transmissionsmodus ist auch ein ausgezeichneter Kandidat für die Herstellung von Farbfilterarrays, die für die spektrale Bildgebung verwendet werden können.

Der neu entwickelte Laser-Graustufen-Lithographieprozess nutzt Berichten zufolge die Herstellungsgeschwindigkeit und die räumliche Auflösung von pixelierten F-P-Hohlräumen. Laut dem korrespondierenden Autor, Professor Guixin Li, „kann das vorgeschlagene großflächige Farbdruckgerät ein großes Potenzial für praktische Anwendungen wie Farbdisplays, hyperspektrale Bildgebung und fortschrittliche Malerei haben.“