(57)【要約】  自由空間の波と、プラズモン・ナノ共振子における空間的に閉じ込められたモードとの間の選択的変換などの光学共鳴によって電磁波をフィルタリングするプラズモン光学スペクトル・フィルタリング・デバイスが提供される。周波数選択の透過スペクトルと反射スペクトルが作られ、ディスプレイ及びイメージングの用途のためのスペクトルフィルタとして用いることができる。従来の顔料ベースのカラー・フィルタの２倍の効率を有する透過型カラー・フィルタとして、又は、（例えば、エネルギー取り込みの反射型ディスプレイに用いることができる）ディスプレイ・デバイス用の反射型カラー・フィルタとして機能するように設計することができる、積層薄膜のカラー・フィルタがさらに開示される。他の変形例では、新規性のある反射型カラー・ディスプレイは、直接日光の下で見ることができると同時に、入射光を取り込んで電力を生むことができる。さらに、このようなプラズモン光学スペクトル・フィルタリング・デバイスを製造する方法が提供される。
2013525863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性金属格子構造体及び誘電体材料を含む共振子構造体を含むプラズモン光学スペクトル・フィルタリング・デバイスであって、光学共鳴によって所定範囲の波長を有するフィルタされた出力を生成するために、前記導電性金属格子構造体が、電磁スペクトルの一部を透過させることのできる少なくとも２つの開口部を含む、プラズモン光学スペクトル・フィルタリング・デバイス。
【請求項２】
前記共振子構造体が、前記誘電体材料の反対側に沿って配置された第２の導電性金属素子をさらに含む、請求項１に記載のプラズモン光学スペクトル・フィルタリング・デバイス。
【請求項３】
前記第２の導電性金属素子が、第２の導電性金属格子構造体であり、第１の導電性金属格子構造体、前記誘電体材料、及び、前記第２の導電性金属格子構造体が、所定範囲の波長を有するフィルタされた出力を生成する前記共振子構造体を貫く前記少なくとも２つの開口部を共に定めている、請求項２に記載のプラズモン光学スペクトル・フィルタリング・デバイス。
【請求項４】
前記第１の導電性金属格子構造体、及び、前記第２の導電性金属格子構造体が、金、アルミニウム、銀、銅、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される金属を含む、請求項３に記載のプラズモン光学スペクトル・フィルタリング・デバイス。
【請求項５】
前記共振子構造体が偏光子デバイスとしてさらに働く、請求項１に記載のプラズモン光学スペクトル・フィルタリング・デバイス。
【請求項６】
前記導電性金属構造体が、複数の液晶の向きを調整するための電極として働く、請求項１に記載のプラズモン光学スペクトル・フィルタリング・デバイス。
【請求項７】
前記導電性金属格子構造体は、前記導電性金属格子構造体における少なくとも２つの開口部が、所定範囲の波長より小さい少なくとも１つの寸法を有する、サブ波長の格子構造体である、請求項１に記載のプラズモン光学スペクトル・フィルタリング・デバイス。
【請求項８】
前記導電性金属格子構造体における少なくとも２つの開口部によって定められる周期性が、透過型フィルタリング・デバイス中を透過するか、又は、反射型フィルタリング・デバイスで反射する所定範囲の波長を決定する、請求項１に記載のプラズモン光学スペクトル・フィルタリング・デバイス。
【請求項９】
請求項１に記載のプラズモン光学スペクトル・フィルタリング・デバイスをピクセルとして組み込んでいるディスプレイ・スクリーンを含むディスプレイ・デバイス。
【請求項１０】
フィルタされた出力の所定範囲の波長が可視光範囲にあり、シアン、黄色、マゼンタ、赤、緑、青、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される色を有する、請求項１に記載のプラズモン光学スペクトル・フィルタリング・デバイス。
【請求項１１】
前記誘電体材料が、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、及び酸化チタン（ＴｉＯ２）からなる群から選択される、請求項１に記載のプラズモン光学スペクトル・フィルタリング・デバイス。
【請求項１２】
前記共振子構造体が、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）：ポリ（スチレンスルホナート）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）の材料、炭酸セシウム（Ｃｓ２ＣＯ３）、及び二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、五酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、酸化ニッケル（Ｎｉ２Ｏ）、酸化モリブデン（ＭｏＯ３）、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、前記第１の格子構造体に隣接するバッファ材料をさらに含む、請求項１に記載のプラズモン光学スペクトル・フィルタリング・デバイス。
【請求項１３】
導電性金属格子構造体と、誘電体材料又は光活性材料から選択される活性材料とを含む、光学共鳴を介するカラー・フィルタリングのためのプラズモン共振子構造体を含むディスプレイ・スクリーンのディスプレイ・ピクセルを含むディスプレイ・デバイスであって、所定範囲の波長を有する、フィルタされ偏光された出力を生成するために、前記導電性金属格子構造体が、前記ディスプレイ・デバイスによって生成された電磁スペクトルの一部を透過させることのできる少なくとも２つの開口部を含む、ディスプレイ・デバイス。
【請求項１４】
前記ディスプレイ・デバイスが液晶ディスプレイ・デバイスであり、前記ディスプレイ・ピクセルが、
フロント偏光子と、
第１の透明電極と、
印加電圧に応じた所定範囲の波長の偏光した電磁波を通過させることのできる複数の液晶と、
前記第１の透明電極として前記複数の液晶の反対側に配置された前記プラズモン共振子構造体と
をさらに含み、前記導電性金属格子構造体が第２の透明な導電電極として働き、前記プラズモン共振子構造体が、単独で、又は、別の偏光子シートと組み合わされてリア偏光子として働く、請求項１３に記載のディスプレイ・デバイス。
【請求項１５】
前記光活性材料が、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）を含む有機電子ドナー材料と、［６，６］−フェニルＣ６１酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）を含む有機電子アクセプタ材料とを含む、請求項１３に記載のディスプレイ・デバイス。
【請求項１６】
前記プラズモン共振子構造体が、第２の導電性金属電極素子をさらに含み、フィルタされ偏光された出力だけでなく光電流を生成することができる有機光起電力デバイスとして働く、請求項１３に記載のディスプレイ・デバイス。
【請求項１７】
前記有機光起電力デバイスが、前記ディスプレイ・スクリーンの少なくとも一部を通して受けた光エネルギーを変換することができる、請求項１６に記載のディスプレイ・デバイス。
【請求項１８】
前記ディスプレイ・スクリーンが、前記有機光起電力デバイスと一体化され、タッチ・スクリーンとして機能することができる、請求項１６に記載のディスプレイ・デバイス。
【請求項１９】
前記導電性金属格子構造体が透明な導電電極として働く、請求項１３に記載のディスプレイ・デバイス。
【請求項２０】
所定範囲の波長を有するフィルタされた出力を生成するために、導電性金属格子構造体と、誘電体材料又は光活性材料から選択される活性材料とを含むプラズモン共振子構造体の光学共鳴によって電磁スペクトルをフィルタリングするステップを含む、プラズモン光学スペクトル・フィルタリングの方法。
【請求項２１】
前記導電性金属格子構造体の周期性が、所定範囲の透過する波長を決定する、請求項２０に記載のプラズモン光学スペクトル・フィルタリングの方法。
【請求項２２】
フィルタされた出力の所定範囲の波長が可視光範囲にあり、シアン、黄色、マゼンタ、赤、緑、青、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される色を有する、請求項２１に記載のプラズモン光学スペクトル・フィルタリングの方法。
【請求項２３】
ＵＶフォトリソグラフィ、ナノインプリント・リソグラフィ、集束イオン・ビームのプロセッシング、スタンピング、又は、金属転写プリンティングから選択されるプロセスによって、導電性金属ナノ格子サブ波長構造体と、誘電体材料又は光活性材料から選択される活性材料とを含む共振子構造体を形成するステップを含む、プラズモン光学スペクトル・フィルタリング・デバイスを製造する方法であって、光学共鳴によって、所定範囲の波長を有するフィルタされた出力を生成するために、前記導電性金属ナノ格子サブ波長構造体が、電磁スペクトルの一部を透過させることのできる少なくとも２つの開口部を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１１年４月２７日に出願された米国実用出願第１３／０９５，３６５号、及び、２０１０年４月２７日に出願された米国仮出願第６１／３２８，３３５号に対する優先権を主張するものである。上記出願におけるすべての開示は、参照によって本明細書に組み込まれている。
【０００２】
本開示は、液晶ディスプレイ、ＬＣｏＳ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）のようなプロジェクション・ディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイなどのディスプレイ・デバイスのためのスペクトル・フィルタリング・デバイスと、光起電力能力も有することができるプラズモン・カラー・フィルタとに関する。
【背景技術】
【０００３】
本節は、従来技術に限らず本開示に関する背景情報を提供する。
【０００４】
ディスプレイ・デバイスは、多くのコンピューティング・デバイスにおいて表面部分のますます大きい割合を占めている。エネルギー効率は、グリーンな持続可能の未来に向けてさらにより重要になっている。世界中の人々のニーズと願望を満たすために、グローバルなエネルギー需要は増え続けており、エネルギー効率を改善し、またエネルギーを取り入れるための方法が不可欠になっている。しかし、日常生活において使われるディスプレイで浪費される著しい光エネルギーにはほとんど注意が払われていない。例えば、普及している液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）では、バックライトのたった３〜８％しか見る人の眼に届いておらず、このうちほとんどの光エネルギーは、顔料ベースのフィルタと偏光子によって吸収されている。
【０００５】
ディスプレイ・デバイスにおけるカラー及びスペクトルのイメージング・システムでは、異なる波長の光を分光するためにフィルタとガラス・プリズムが一般に用いられる。透過型の光学フィルタは、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のパネルのように平坦なパネル・スクリーンを含む様々なディスプレイの用途に広く利用されている。光学式の波長のフィルタは、所望の波長の光、又は、特定の波長範囲の光を反射又は透過させるデバイスである。例えば、透過型のフィルタは、あらかじめ選択された波長透過帯域幅内の光を選択的に透過させ、透過帯域幅の外側の波長の光は吸収するか、又は反射する。波長に対するこのような光学式のフィルタリングは、光のエネルギーとスペクトル組成を調節する方法を提供し、ディスプレイの用途で広く使われている。
【０００６】
既存のディスプレイ・デバイスは、カラー画像を作るために、ひとまとめに「ＲＧＢ」と呼ばれる、一般に赤、緑、及び青の３原色を生成する。従来の光学フィルタでは、フィルタをかけてディスプレイ・ピクセル用のＲＧＢカラーを作り出すために顔料による分光が使われている。補色の光は、吸収され、完全に無駄にされている。このような光学フィルタは、一般に４つの別のステップによって製造される。
【０００７】
これらのプロセスは、製造を複雑にするだけでなく、プロセスにおいて化学物資を無駄にする。したがって、このような光学フィルタは、比較的低いエネルギー効率を有し、全体的なコストと、ディスプレイ・デバイスのサイズとを著しく増やしている。ＬＣＤディスプレイで現在使われている偏光子は、垂直偏光の光を吸収することによって偏光機能を実現するが、吸収された光もまた無駄にされている。
【０００８】
集積デバイスの小型化と共に、エネルギー効率が高く、電力消費が低く、小さい寸法のデバイスを提供するために、高い透過効率と、製造において低い複雑度とを有する可視範囲の光学フィルタを製造することができる、カラー・フィルタの技術における新しいパラダイムが必要である。さらに、比較的少ない量の電力を消費する電子ブック、又は、９５％の時間がスタンバイモードである（携帯電話等の）モバイルデバイスなどのデバイス用には特に、吸収されたエネルギーをリサイクルするか、又は、吸収されたエネルギーを取り入れて有用な電力を生成することが可能なディスプレイ・デバイスを有することが望ましいことになる。
【０００９】
さらなる応用範囲は、本明細書において行なわれる説明より明らかとなろう。「発明の概要」における説明と具体的な実例は、例示目的のみに向けて考えられており、本開示の範囲を限定するようには考えられていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第７，６４８，７６７号
【特許文献２】米国特許公開第２００９／０２５６２８７号
【特許文献３】国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／２７７４８号
【特許文献４】米国特許公開第２００９／００４６３６２号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本節は、本開示の全体的な概要を提供し、本発明のすべての範囲、又は本発明のすべての特徴における包括的な開示ではない。
【００１２】
本教示の様々な態様によれば、共振子構造体を含むプラズモン光学スペクトル・フィルタリング・デバイスが提供される。この共振子構造体は、導電性金属格子構造体及び誘電体材料を含む。導電性金属格子構造体は、所定範囲の波長を有するフィルタされた出力を生成するために、電磁スペクトルの一部を透過させることのできる少なくとも２つの開口部を含む。このフィルタリングは、光学共鳴のプロセスを介して少なくとも部分的に行なわれる。
【００１３】
他の態様では、本開示の原理によって、ディスプレイ・スクリーンのディスプレイ・ピクセルを含むディスプレイ・デバイスが提供される。このディスプレイ・ピクセルは、光学共鳴を介するカラー・フィルタリングのためのプラズモン共振子構造体を含む。プラズモン共振子構造体は、導電性金属格子構造体と、光活性材料又は誘電体材料などの活性材料とを含む。導電性金属格子構造体は、ディスプレイ・デバイスによって生成された電磁スペクトルの一部を透過させることのできる少なくとも２つの開口部を含む。電磁波は、光学共鳴を介して、所定範囲の波長を有する、フィルタされた偏光された出力を生成するために２つ以上の開口部を透過することができる。いくつかの変形例では、このようなディスプレイ・デバイスは、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）デバイスである。共振子構造体は、このようなＬＣＤディスプレイ用のピクセルにおける透明な導電電極及び偏光子として働くことができる。
【００１４】
いくつかの変形例では、直接日光の下で見ることができ、同時に入射光を取り込んで電流、すなわち電力を生むことができる新規性のある反射型カラー・ディスプレイが提供される。さらに、積層薄膜ベースのカラー・フィルタ・プラットフォームなどの共振子構造体を含むプラズモン光学スペクトル・フィルタリング・デバイスが開示され、このデバイスは、従来の顔料ベースのカラー・フィルタの２倍の効率を有する透過型カラー・フィルタとして、又は、提案されているエネルギー取り込みの反射型ディスプレイで用いられることになる反射型カラー・フィルタとして機能するように設計することができる。
【００１５】
さらに他の変形例では、プラズモン共振子構造体の光学共鳴によって電磁スペクトルをフィルタリングするステップを含む、スペクトル・フィルタリングの方法が提供される。共振子構造体は、導電性金属格子構造体と、誘電体材料又は光活性材料から選択される活性材料とを含む。したがって、共振子構造体は、所定範囲の波長を有する、フィルタされた出力を生成することができる。本教示におけるいくつかの原理によれば、導電性格子構造体の周期性は、透過する所定範囲の波長（複数可）に関係する。例えば、いくつかの実施例では、フィルタされた出力における所定範囲の波長は、可視光範囲にあり、シアン、黄色、マゼンタ、赤、緑、青、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される色を有する。
【００１６】
さらに、本開示は、様々な態様において、プラズモン光学スペクトル・フィルタリング・デバイスを製造する方法も提供する。このような方法は、ＵＶフォトリソグラフィ、ナノインプリント・リソグラフィ、集束イオン・ビームのプロセッシング、スタンピング、又は、金属転写プリンティングから選択されるプロセスを通じて、導電性金属ナノ格子サブ波長構造体と、誘電体材料又は光活性材料から選択される活性材料とを含む共振子構造体を形成するステップを含む。このようにして、光学共鳴によって、所定範囲の波長を有するフィルタされた出力を生成するために、電磁スペクトルの一部を透過させることのできる少なくとも２つの開口部を含む導電性金属ナノ格子サブ波長構造体が形成される。
【００１７】
さらなる応用範囲は、本明細書において行なわれる説明より明らかとなろう。この「発明の概要」における説明及び具体例は、例示目的のみのために考えられており、本開示の範囲を限定するようには考えられていない。
【００１８】
本明細書で説明される図面は、可能なすべての実装例ではなく、選択された実施例における例示目的のみのためのものであり、本開示の範囲を限定するようには考えられていない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来の液晶ディスプレイのピクセルにおける断面図である。
【図２】本開示におけるいくつかの原理に従ってプラズモン共振子フィルタリング・デバイスを作るために用いられる、基板上の薄い金属格子の図である。
【図３】本教示に従って形成された、金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）の積層を有する発明性のある例示的なプラズモン共振子フィルタリング・デバイス、すなわち、サブ波長の格子を有するアレイの断面図である。
【図４】光活性材料、及び、少なくとも１つの格子を含む共振子アセンブリを有し、カラー・フィルタと、光起電力の太陽電池との両方として機能する二元機能を有する、本教示のいくつかの態様による発明性のある例示的な反射型のプラズモン共振子フィルタリング・デバイスの断面図である。
【図５Ａ】シミュレーションされた反射型のカラー・フィルタリングを示す図である。図４と同様の反射型フィルタリング・デバイスの基本設計とシミュレーションに基づく、赤、緑、青（ＲＧＢ）に対する反射スペクトルを示す。
【図５Ｂ】シミュレーションされた反射型のカラー・フィルタリングを示す図である。このようなデバイスの吸収を示す。
【図６Ａ−Ｉ】エネルギーを生成する光カラー・フィルタの図である。図６Ａ〜図６Ｃは、二元機能デバイスの図である。３つすべての場合において、Ａｕナノ格子とＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層の厚さは、それぞれ４０ｎｍと３０ｎｍである。Ａｕナノ格子は、０．７のデューティ・サイクルを有する（Ａｕのライン幅は、間隔の０．７である。）図６Ｂには、外部電流コレクタによる光起電力の特性が代表例として概略的に説明されている。図６Ａは、４２０ｎｍの間隔のＡｕナノ格子と、９０ｎｍの厚さのＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭの光活性層とを有するシアン色のデバイスである。図６Ｂは、２８０ｎｍの間隔のＡｕナノ格子と、６５ｎｍの厚さの光活性層とを有するマゼンタ色のデバイスである。図６Ｃは、２２０ｎｍの間隔のＡｕナノ格子と、５０ｎｍの厚さの光活性層とを有する黄色のデバイスである。図６Ｄ〜図６Ｆは、直径１ｍｍの円形状を有する二元機能デバイスの写真である。挿入画像は、約１ｃｍのサイズの面積の大きいバージョンであり、図６Ｄはシアン、図６Ｅはマゼンタ、図６Ｆは黄色である。図６Ｇ〜図６Ｉは、Ａｕナノ格子の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の画像である。左と右の挿入画像は、それぞれ高倍率の上面図と斜視図である。左の挿入画像の「Ｐ」は、Ａｕナノ格子の間隔を表す。図６Ｇは４２０ｎｍの間隔であり、図６Ｈは２８０ｎｍの間隔であり、図６Ｉは２２０ｎｍの間隔である。
【図７Ａ−Ｄ】提案された構造に対する反射の計算マップである。Ａｕナノ格子とＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層の厚さは、それぞれ４０ｎｍと３０ｎｍに固定されている。Ａｕナノ格子は、０．７のデューティ・サイクルを有する。図７Ａ〜図７Ｂは、Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭブレンドの光活性層の厚さ（Ａｕナノ格子の間隔は２８０ｎｍに固定）（図７Ａ）と、Ａｕナノ格子の間隔（光活性層の厚さは５０ｎｍに固定）（図７Ｂ）とに応じた、横方向の電気（ＴＥ）の偏光光波に対する反射である。図７Ｃは、Ａｕナノ格子の間隔（光活性層の厚さは５０ｎｍに固定）に応じた、横方向の磁気（ＴＭ）の偏光光波に対する反射である。図７Ｄは、４９０ｎｍの同じ共鳴吸収波長におけるＴＭ波（上部）とＴＥ波（下部）に対する磁場強度分布である。光活性層の厚さとＡｕナノ格子の間隔は、それぞれ５０ｎｍと２２０ｎｍである。
【図８Ａ−Ｆ】二元機能デバイスにおけるカラー・フィルタリングの動作である。図８Ａ〜図８Ｃは、厳密結合波解析法（ＲＣＷＡ：Ｒｉｇｏｒｏｕｓ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｗａｖｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）のシミュレーションによって計算された反射スペクトルである。実線、破線、及び点線は、それぞれ非偏光状態、ＴＭモード、及びＴＥモードを表し、図８Ａはシアン、図８Ｂはマゼンタ、図８Ｃは黄色である。図８Ｄ〜図８Ｆは、測定された反射スペクトルである。白丸、下半分が白の丸、及び、上半分が白の丸は、それぞれ非偏光状態、ＴＭモード、及びＴＥモードを表し、図８Ｄはシアン、図８Ｅはマゼンタ、図８Ｆは黄色である。
【図９】二元機能デバイスにおける光起電力の動作を示す。丸、四角、及び三角の記号は、それぞれシアン、マゼンタ、及び黄色を示すデバイスを表す。二元機能デバイスのＪ−Ｖプロット。すべてのデータは、１００ｍＷｃｍ−２の強度を有するＡＭ１．５Ｇで測定された。短絡電流密度（Ｊｓｃ）、開放電圧（Ｖｏｃ）、フィル・ファクタ（ＦＦ）、及びパワー変換効率（ＰＣＥ）などの標準的な太陽電池の特性は、次の通りにまとめられる。すなわち、シアン（Ｊｓｃ＝５．２８ｍＡｃｍ−２、Ｖｏｃ＝０．５１Ｖ、ＦＦ＝５７．５％、ＰＣＥ＝１．５５％）、マゼンタ（Ｊｓｃ＝５．０４ｍＡｃｍ−２、Ｖｏｃ＝０．４９Ｖ、ＦＦ＝３３．１％、ＰＣＥ＝０．８２％）、黄色（Ｊｓｃ＝３．９８ｍＡｃｍ−２、Ｖｏｃ＝０．４８Ｖ、ＦＦ＝３１．２％、ＰＣＥ＝０．６０％）である。挿入画像は、光起電力の機能を有する二元機能デバイスの図である。
【図１０Ａ−Ｄ】金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）の積層アレイを有する共振子構造体によって形成されたプラズモン・ナノ共振子である。図１０Ａは、このような発明性のあるプラズモン・ナノ共振子の例示的実施例における概略図である。白い矢印は、入射白色光のソースを表し、赤、黄色、緑、及び青の矢印は、異なる積層アレイから透過した有色光における、フィルタされた出力を表す。ＭＩＭ共振子構造体は、アルミニウム、セレン化亜鉛、及びフッ化マグネシウムの材料をそれぞれ含む。挿入されている図は、製造されたデバイスにおける走査電子顕微鏡法による画像である。スケール・バーは１μｍ。図１０Ｂは、ＭＩＭ積層アレイにおけるプラズモン分散を示す。赤、緑、及び青のドットは、主要なＲＧＢカラーをフィルタリングするケースに対応している。赤と青の線／曲線は、それぞれ反対称モードと対称モードに対応している。陰影のつけられた領域は、可視範囲を示す。図１０Ｃは、ＲＧＢフィルタに対するシミュレーションされた透過スペクトルである。実線と破線は、それぞれＴＭとＴＥの照射に対応している。ＲＧＢフィルタ用の積層の間隔は、３６０ｎｍ、２７０ｎｍ、及び２３０ｎｍである。図１０Ｄは、３６０ｎｍの積層の間隔で、６５０ｎｍの波長における、ＭＩＭの積層内部における時間平均の磁場強度と電気変位分布（赤の矢印）の断面図である。図１０Ｄの右側には、図１０Ａと同じ構成の構成材料が示されている。
【図１１】フィルタされた光を生成する、金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）の薄膜の積層アレイを含む発明性のあるプラズモン・ナノ共振子のフィルタ・デバイスにおける別の例示的実施例の概略図である。
【図１２Ａ−Ｄ】プラズモン・カラー・フィルタの図である。図１２Ａは、白色光によって照射された７つのプラズモン・カラー・フィルタにおける、光学式顕微鏡法による画像である。スケール・バーは１０μｍ。図１２Ｂは、ＲＧＢカラーに対応して作られた３つのカラー・フィルタの、実験によって測定された透過スペクトルである。丸と三角は、それぞれＴＭ照射とＴＥ照射に対応している。図１２Ｃは、２つの積層間隔によって形成されたパターン「Ｍ」の、走査電子顕微鏡法による画像である。濃紺色の背景における間隔と、黄色の文字における間隔は、それぞれ２２０ｎｍと３１０ｎｍである。スケール・バーは３μｍ。図１２Ｄは、白色光で照射されたパターンにおける、光学式顕微鏡法による画像である。
【図１３】２つ、４つ、６つ、及び無限数の開口部又はスリットを有する、本教示によって作製された緑と赤のフィルタに対してシミュレーションされた透過の図である。丸、三角、ダイヤモンド、及び星は、それぞれ２つ、４つ、６つ、及び無限数のスリットを有する構造体に対応している。挿入されている図は、２つ、４つ、及び６つのスリットの場合に対する光学式顕微鏡法による画像である（スリットの数は底部から上部に向かって増えている）。
【図１４Ａ−Ｄ】本教示におけるいくつかの態様に従って作製された、スペクトル・イメージング用のプラズモン分光器である。図１４Ａは、４００ｎｍから２００ｎｍ（左から右）に間隔を徐々に変えた状態で作られた１Ｄのプラズモン分光器における、走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）による画像である。スケール・バーは２１μｍ。図１４Ｂは、白色光で照射されたプラズモン分光器における光学式顕微鏡法による画像であり、赤から青にわたる、フィルタされた色のスペクトルを示す。図１４Ｃは、本教示におけるいくつかの態様に従って作製された、スポーク構造を有する２次元プラズモン共振子のＳＥＭ画像である。スケール・バーは３１μｍ。図１４Ｄは、非偏光光（中央）及び偏光光（４つのボックス）で照射された図１４Ｃのスポーク構造体における光学式顕微鏡法による画像を含み、異なる角度からフィルタされた（青「Ｂ」、シアン「Ｃ」、緑「Ｇ］、黄色「Ｙ」、及び赤「Ｒ」を含む）色のスペクトルを示す。
【図１５Ａ−Ｃ】厚いアルミニウム格子と高屈折率の誘電体材料（図１５Ａ）、及び、透過の高い構造体としての薄いアルミニウム格子と低屈折率の誘電体材料（図１５Ｂ）を含む偏光構造体を含む、本教示によるいくつかのプラズモン共振子フィルタの実施例に対するＴＭ透過のシミュレーション結果である。図１５Ｃは、対応する例示的なプラズモン共振子フィルタ構造体の図である。
【図１６Ａ−Ｂ】金を含む金属格子と、高屈折率の誘電体のガイド層（Ｓｉ３Ｎ４）との間の、二酸化ケイ素からなる低屈折率のスペーサ層を含む共振子構造体を含む、本教示のいくつかの態様による代替実施例の図である。図１６Ｂは、２つの異なる金属格子間隔を有する構造体に対して得られた、実験によるＴＭ透過の結果である。
【図１７Ａ】本開示のいくつかの態様による反射型カラー・フィルタ構造体の実施例における図である。
【図１７Ｂ】ＴＭ偏光の照射のもとでの、異なる間隔を有する図１７Ａの構造体に対する反射スペクトルである、
【図１８Ａ−Ｄ】パターン転写プロセスを介して、本教示におけるいくつかの態様による例示的なプラズモン共振子構造体を製造する方法に関する図である。図１８Ａは、表面活性剤がコーティングされた二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の型を示す。図１８Ｂは、（金（Ａｕ）、次にアルミニウム（Ａｌ）、次に二酸化チタン（ＴｉＯ２）の）薄膜の金属層の蒸着プロセスと、それに続く、厚く連続的なアルミニウム（Ａｌ）のスパッタリングを示す。図１８Ｃは、温度／圧力の印加による、ポリカーボネート（ＰＣ）基板へのプレス成形を示す。図１８Ｄは、ＳｉＯ２の型から離された、取り外されたＰＣサンプルを示す。
【図１９Ａ】２２０ｎｍの間隔を有する黄色の反射型フィルタ構造体のＳＥＭ画像である。
【図１９Ｂ】２２０ｎｍの間隔を有する黄色の反射型フィルタ構造体のＳＥＭ画像である。
【図２０Ａ−Ｄ】２２０ｎｍの間隔を有する、本開示におけるいくつかの態様によって作製された黄色の反射型フィルタ構造体に対して、図２０Ａは、ＴＥのシミュレーションであり、図２０Ｂは、ＴＭのシミュレーション（赤の破線）及びデータ（黒の実線）であり、それぞれの偏光における顕微鏡画像と共に示されている。図２０Ｃは、ＰＣ上に最終的に転写された構造体の正面の写真である。背面は、平らなＡｌ膜のように見え、正面は明瞭な黄色を示す。ドロップ形のオブジェクトは、上部のＡｌ格子を有さないサンプルの部分であり、光学画像に対して偏光に左右されない基準を提供する。
【図２１Ａ−Ｃ】黄色のフィルタにおけるＴＥ（図２１Ａ）、ＴＭ（図２１Ｂ）、及び非偏光（図２１Ｃ）の反射スペクトルにおける角度依存を示すグラフである。ソースと検出器との間の角度は、２０°から５０°まで変化している。
【図２２】液晶ディスプレイのパネル用のピクセル・アレイである。
【図２３】図２２の例示的ピクセルの詳細断面図であり、ここでは、本教示におけるいくつかの態様による、オン／オフ制御によって有色のピクセルを生み出す発明性のある光学式プラズモン共振子反射型カラー・フィルタ及び偏光子デバイスの上部に、液晶制御層が配置されている。
【図２４】図２２及び図２３における液晶ディスプレイのピクセルに用いることができる、本教示におけるいくつかの態様に従って作製された発明性のある例示的な光学式プラズモン共振子反射型カラー・フィルタの断面図である。
【図２５Ａ−Ｄ】バッファ層と、変調層と、本開示におけるいくつかの原理に従って作製された格子の列における異なる間隔（３００ｎｍ、３５０ｎｍ、又は４５０ｎｍ）をもつサブ波長の格子とを有する（図２５Ａにおける設計の断面図）、高効率で狭帯域の光学式プラズモン共振子カラー・フィルタである。図２５Ｂは、このようなデバイスからの、フィルタされた出力における断面図であり、格子構造体における異なる間隔に基づいて青、緑、及び赤をフィルタリングする能力を実証している。図２５Ｃは、３つの色に対する、波長に対する透過のシミュレーションであり、図２５Ｄは、比較のための、波長に対する透過の実験データであり、このうち、半値全幅（ＦＷＨＭ）は、約２５〜３０ｎｍである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図面におけるいくつかの図にわたって、対応している参照番号は、対応する部分を示す。
【００２１】
例示的実施例は、本開示が全てに亘り、当業者に範囲を完全に伝えるように提供される。本開示の実施例における十分な理解を提供するために、具体的なコンポーネント、デバイス、及び方法における実例などの、多くの具体的な詳細が明記されている。具体的な詳細部分は用いられなくてもよく、例示的実施例は多くの異なる形態で実施されてもよく、また、どちらも本開示における範囲を限定するように解釈されるべきでないことは、当業者には明らかとなろう。次に添付図面を参照して例示的実施例をさらに十分に説明する。
【００２２】
本明細書で用いられる用語は、例示的な特定の実施例を説明するためのものに過ぎず、限定するようには考えられていない。本明細書で用いられる場合には、単数形である「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈がそうでないと明確に示していない限り、複数形も含むものとすることができる。「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（含む）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含んでいる）」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」、及び「ｈａｖｉｎｇ（有する）」という用語は包括的であるため、述べられた特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／又は、コンポーネントの存在を指定するが、１つ又は複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／又は、それらのグループの存在又は追加を排除しない。本明細書で説明される方法のステップ、プロセス、及び動作は、動作の順序として具体的に指定されない限り、説明又は例示される特定の順序で動作することを必ず必要とするように解釈されるべきではない。さらに、追加又は代替のステップが用いられてもよい点を理解されたい。
【００２３】
要素又は層が、他の要素又は層に対して、「上にある」、「係合している」、「接続されている」、又は「結合している」と言及される場合、他の要素又は層に対して、直接上にあってもよく、直接係合していてもよく、直接接続されていてもよく、若しくは、直接結合していてもよく、又は、介在する要素若しくは層があってもよい。対照的に、要素が、他の要素又は層に対して、「上に直接ある」、「直接係合している」、「直接接続されている」、又は「直接結合している」と言及される場合、介在する要素又は層は存在しないことがある。要素どうしの関係を説明するために用いられる他の言葉も、同様に解釈されるべきである（例えば、「〜の間に」に対して「直接〜の間に」、「隣接している」に対して「直接隣接している」など）。本明細書で用いられる場合、「及び／又は」という用語は、関連して挙げられた１つ又は複数の項目のうちの任意のものと、それらのすべての組み合わせとを含む。
【００２４】
本開示によれば、新規性のあるスペクトル・フィルタリング・デバイスが提供される。「スペクトル・フィルタリング」は、電磁放射における任意の波長範囲のフィルタリングを広く包含するが、カラー・フィルタリングは、電磁スペクトルの可視光部分におけるフィルタリングを指す。本明細書では、スペクトル・フィルタリングは、「カラー・フィルタリング」という用語と区別なく用いられている。様々な態様において、共振子構造体を形成するように構成された積層薄膜を含む光学式スペクトル・フィルタリング・デバイスが提供される。本教示におけるいくつかの態様によるこのような共振子構造体は、従来の顔料ベースのカラー・フィルタの２倍の効率を有する透過型カラー・フィルタとして、又は、エネルギー取り込みの反射型ディスプレイと共に用いることができる反射型カラー・フィルタとして機能するように設計することができる。例えば、一実施例は、共振子構造体を含むカラー・フィルタとして使用するためのプラズモン光学スペクトル・フィルタリング・デバイスである。このため、共振子構造体は、導電性金属格子構造体と、例えば、誘電体材料、光活性材料、又はこれらの組み合わせである活性材料とを含む。いくつかの実施例では、共振子構造体は、金属−誘電体−金属の積層を含むことができる。導電性金属格子構造体は、光学共鳴を介して、所定範囲の波長を有するフィルタされた出力を生成するために、電磁スペクトルの一部を透過させることができる少なくとも２つの開口部（例えば、金属の列の間のスペース）を含む。
【００２５】
本教示におけるいくつかの態様によれば、（本明細書では、金属−絶縁体−金属、又は「ＭＩＭ」とも呼ばれる）金属−誘電体−金属の共振子構造体を含むデバイスは、透過型と反射型の両方のフィルタのためのスペクトル・フィルタリング機能（例えば、カラー・フィルタリング）用に提供される。このデバイスは、様々な態様において、入射光をＭＩＭ積層における特定のプラズモン・モードに効率的に結合させ、次にそれらを遠距離場に拡散することができるサブ波長の周期性構造を有する。「サブ波長」という用語は、デバイスが相互作用する波長より小さい１つ又は複数の寸法を説明するために一般に用いられる（例えば、サブ波長の格子は、その格子と相互作用する光の波長（複数可）より小さい１つ又は複数の寸法を有する、透過のための開口部を有する格子構造体を意味する）。格子構造体／共振子の周期性（例えば、積層の間隔、又は、開口部どうしの間で定められる間隔）と、誘電体層の厚さとを調整することによって、可視波長範囲をカバーするために透過又は反射のピークを調整することができる。
【００２６】
いくつかの態様において、本教示は、フィルタ・アセンブリを出る、所定範囲の波長を有するフィルタされた出力を生成するために、電磁スペクトルの一部を透過させることができる光学式スペクトル・フィルタリング・デバイスを提供する。透過型及び反射型のスペクトル・フィルタリング、又はカラー・フィルタリングを実現することができる。したがって、いくつかの変形例では、光学式スペクトル・フィルタリング・デバイスは、透過型フィルタでもよく、他の変形例では、光学式スペクトル・フィルタリング・デバイスは、反射型フィルタでもよい。さらに他の変形例では、光学式スペクトル・フィルタリング・デバイスは、透過型フィルタと反射型フィルタの両方を同時に提供する。
【００２７】
背景として、近年では、表面プラズモン（ＳＰ）と、関連するプラズモン・ナノ構造体とが、ナノ加工技術及び特性評価技術の発展と共に多くの関心を生み出している。ＳＰは、基本的には、金属表面における電子の集合的な振動への光の結合によって引き起こされる電荷密度波である。ナノホール・アレイ又はナノスリット・アレイなどのプラズモン・ナノ構造体を利用することによって、光子とプラズモンとの間の効率的な変換をサブ波長スケールで制御することができ、それによって、カラー・フィルタリング及びスペクトル・イメージングなどの従来の光プロセスに対する新たなソリューションが提供される。
【００２８】
最近では、可視範囲における共振透過ピーク（フィルタ後の出力）を調整することによって色にフィルタをかけるために金属性のナノホール・アレイを用いる、このような効果が報告されている。しかし、このようなフィルタにおける透過の通過帯域は比較的広く、マルチバンドのスペクトル・イメージングに対する要件を満たしていない。また、周期性の溝と組み合わせられるか、又は、金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）の導波路に挿入されたナノスリットなどの他の試みによってもカラー・フィルタリングの効果が示されている。しかし、これらの構造では、２つの隣接する出力開口部又はスリットは、追加構造の分、又は、特定の結合距離の分だけ離される必要があるため（両方ともほぼ数マイクロメートルであり、金属吸収ロスのために減衰の原因となる）、デバイスの寸法及び効率が制限される。さらに、これらの構造には厚い金属膜が用いられるため、ＭＩＭ導波路に入り、そこから出ていく光の吸収ロスによって、デバイスの効率は一般に１０％より下までさらに低下する。このような効率の値は一般に不十分であると考えられており、実用的なディスプレイの用途に対する要件を満たさない。
【００２９】
ＭＩＭ導波路の形状は、可視波長におけるＳＰモードをサポートする能力を提供し、サブ波長スケールにおいて波を導くこと、光起電力の用途に向けて吸収を強めるために光を集めること、光の周波数におけるスーパーフォーカス（ｓｕｐｅｒｆｏｃｕｓｉｎｇ）のための近距離場プレートを提供すること、又は、強い磁気共鳴と負の屈折率とに向けてメタマテリアルを構成することなどの、様々な異なる用途において有用である。空間モードにおける効率的なサブ波長の閉じ込めを可能とすることに加え、他のナノ構造体と比べると、ＭＩＭ導波路における上部の金属層と下部の金属層とは、電気光学系において直接的に電極として組み込まれていてもよく、その両方の金属層によって全体的なデバイス・サイズは最小となる。
【００３０】
いくつかの態様では、本開示は、ＭＩＭ導波路の共振子、又は、同様の動作に基づく他のプラズモン共振子構造体を用いることによって生み出される、改善されたスペクトル・フィルタリング・デバイスに関する。例えば、いくつかの変形例では、本教示は、電磁スペクトルの全可視光帯にわたって白色光にフィルタをかけて個々の色（の波長又は波長範囲）にすることができるプラズモンＭＩＭナノ共振子構造体に関する。さらに、本開示の原理は、他の波長範囲に適用されてもよい。
【００３１】
この場合、表面プラズモンベースのナノ構造体は、その構造体の寸法の小ささと、光を効率的に操作する能力とのために魅力的である。いくつかの態様では、プラズモン光学スペクトル・フィルタリングのための方法が提供され、この方法は、所定範囲の波長を有するフィルタされた出力を生成するために、誘電体材料に隣接する導電性金属格子構造体を含むプラズモン共振子構造体の光学共鳴によって電磁スペクトルをフィルタリングすることを含む。いくつかの態様では、金属格子構造体は、ナノ共振子を形成する（例えば、フィルタされた出力に関係する）サブ波長の格子である。本技術におけるいくつかの態様によれば、光学共鳴は、自由空間の波と、（例えば、金属−絶縁体−金属の積層アレイにおける）サブ波長の格子を含むプラズモン・ナノ共振子における、空間的に閉じ込められたモードとの間の選択的な変換を含み、それにより比較的簡単な設計ルールを用いることによって、このようなアレイを通じて良好に調節された透過スペクトルが提供される。したがって、発明性のある本技術は、特定の共鳴波長において光子−プラズモン−光子の変換を効率的に実現するためにナノ共振子を用いることによって生み出される、改善されたスペクトル・フィルタリング・デバイスに関する。本教示は、任意の色を透過させることができる高効率のスペクトル・フィルタリング又はカラー・フィルタリングを提供する。これらの人工的なナノ構造体は、極めて小さいデバイス・アーキテクチャを有する高い空間解像度のカラー・フィルタリングとスペクトル・イメージングのための手法を提供する。
【００３２】
このように、本教示は、様々な態様において、第１の導電性金属格子構造体を含むフィルタ・アセンブリを備える光学式スペクトル・フィルタリング・デバイスを提供する。「格子構造体」は、その構造体を形成する金属性材料が、その構造体を貫いた１つ又は複数の開口部を含んでおり、それによって特定波長（複数可）の光がその開口部を通過することが可能になることを意味する。例えば、いくつかの好ましい態様では、格子構造体は、間隔をおいて配置されているが互いに実質的に平行である複数の金属の列、又は、離散領域を含み得る。隣接する列どうしの間隔によって、特定波長の光が通過可能な複数の開口部が画定される。また、格子は、同様に間隔をおいて配置されているが互いに実質的に平行である、第１の複数の列とは別の向きを有する第２の複数の金属の列を含むことができる。この第１及び第２の複数の金属の列は、格子構造体を形成するために１つ又は複数の位置で交差していてもよく、又は互いに接触していてもよい。好ましい態様では、格子は、少なくとも２つの開口部を形成するために少なくとも２つの列を含むが、別の格子構造体における列と層の数は２つだけに限定されず、むしろ異なる複数の設計及び層を含むことができる点に留意されたい。さらに、以下で説明されるように、隣接する金属の列、又は複数の他の領域は、互いからサブ波長の距離（目的の波長又は波長範囲より短い距離）のところに離されていることが好ましく、列のそれぞれのペアは、ペア間の開口部ごとに異なる距離（又は、スリットの幅）を定めることができ、それにより、異なる波長の光がペアの間を通ることが可能となる。以下でより詳細に説明されるように、金属列のペア間の間隔によって、格子構造体における開口部又はスリットの周期性が求まり、その周期性は、フィルタリング・デバイスによって生み出される波長（又は、波長範囲）に関係する。いくつかの変形例では、導電性格子構造体における少なくとも２つの開口部によって定められる周期性によって、透過型のフィルタリング・デバイスにおいて透過するか、又は、反射型のフィルタリング・デバイスにおいて反射する所定範囲の波長が求められる。このように、格子構造体における開口部の周期性は、隣接する金属の列の間隔に関係し、その間隔によって、フィルタされた出力（複数可）又は色（複数可）における波長の範囲が求められる。
【００３３】
薄膜カラー・フィルタにおける高ピークの透過と高効率とを有するプラズモン光学スペクトル・フィルタリング・デバイスは、主な興味の対象である。いくつかの技術では、特定の用途に応じて、透過する光の同時偏光が望ましく、他の用途では、極めて特定的な波長のフィルタリングのために狭いスペクトルのピークが要求される場合がある。
【００３４】
いくつかの態様では、共振子構造体は、第１の導電性金属格子構造体と、第２の別の導電性金属格子構造体との両方を含む。いくつかの実施例では、第１及び第２の金属格子構造体は、絶縁体又は誘電体材料などの活性材料をサンドイッチ状に挟んでいる。第１及び第２の金属格子構造体は、（通常は同じ開口部を画定するために）格子が互いに実質的に垂直方向にそろえられる相補的な構成を有するように配置されてもよい。いくつかの実施例では、誘電体材料層（複数可）と組み合わせられた第１及び第２の金属格子構造体の構成によって、所定範囲の波長を有するフィルタされた出力を生成するために、格子構造体におけるそれぞれの金属列の間に画定された少なくとも１つの開口部、任意選択で少なくとも２つの開口部を通して、電磁スペクトルの一部を透過させることができるフィルタ・アセンブリが形成される。
【００３５】
本開示は、様々な態様において、様々なサイズ、向き、形状、及び構成を有する様々な微細構造のフィーチャ、特に共振子の積層のための格子構造体を形成する方法を提供する。様々な多層の面は、（本明細書で説明される例示的な層構造に限定されない）様々なパターンにおいて、本開示に従って形成され得る。本開示の方法は、様々な態様において、（多層の格子構造体を定めるナノ格子などの）少なくとも１つのマイクロスケールのフィーチャ、及び／若しくは、ナノスケールのフィーチャを有するワイヤ格子の共振子、電極、並びに／又は偏光子を形成するために用いることができる。このような格子ナノ構造体は、末端の用途に合わせられた様々な異なる形状を有することができる。実例として、好適なワイヤグリッド偏光子は、可視部分（約４００ ｎｍから約８００ｎｍの範囲にわたる波長）又は近赤外（約１μｍから約１０μｍの範囲にわたる波長）における電磁エネルギーの波を偏光及び／又はフィルタリングするのに適した約１μｍ未満の間隔（すなわち、第１のフィーチャと第２のフィーチャとの間の間隔／距離、例えば、図２及び図３を参照）を有する。上に示されているように、サブ波長の格子構造体は、様々な態様において、発明性のあるプラズモン共振子デバイスにとって特に望ましく、このことは、１つ又は複数の格子の寸法が、デバイスによってフィルタにかけられる波長又は波長範囲より小さいことを意味する（例えば、サブ波長の格子は、生成される色における特定の波長に応じて、１μｍの波長より小さく、好ましくは約６００ｎｍより小さい１つ又は複数の寸法を有する、可視光をフィルタリングするための格子構造体を意味する）。以下でいくつかの実施例において説明されるように、サブ波長の金属性格子の形態である、本教示によるワイヤグリッド構造体は、従来の偏光子のフィルタに比べて魅力的な代替例であるが、これは、これらの構造体が、長期間の安定性をもって、広い波長範囲と入射角度にわたって、透過する横磁界（ＴＭ）偏光光と、反射する横電界（ＴＥ）偏光光との間の高い消光比を提供するためである。
【００３６】
本開示で説明される技術は、概して、３次元プロジェクション・ディスプレイなどの、特に、高い入力電力の用途に向けた透過型又は反射型の任意のフラットパネルディスプレイを含む様々なディスプレイ・デバイスに適用可能である。カラー・フィルタなどの電磁スペクトルのフィルタは、フラットパネルディスプレイ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、（例えば、デジタルミラー技術、又はＬＣｏＳ（ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）、ヘッドマウントディスプレイ、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）のイメージセンサ、赤外線撮像装置、発光ダイオードなどを用いる）プロジェクション・ディスプレイを含む様々なディスプレイ技術にとって重要なコンポーネントである。例えば、透過型の光学スペクトルフィルタは、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のパネルなどの用途で広く用いられている。薄膜構造の設計は、例えば現行のＬＣＤディスプレイで用いられるカラー・フィルタ、偏光子、及び液晶の制御を著しく簡単にすることができる。上記のカラー・フィルタリングの方法と比べると、発明性のある設計によって、透過の完全性、通過帯域幅、及び小ささが著しく改善される。さらに、フィルタされた光は自然に偏光し、それによって、別の偏光子の層又はフィルタを要することのない液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）への直接的な組み込みに向けて特に魅力的となる。
【００３７】
さらに、本教示におけるいくつかの態様では、光起電力（「ＰＶ」）の機能をディスプレイに直接組み込むことによってコンピューティング・デバイスのエネルギー取り込み部分を増やすための方法及びデバイスが開示される。したがって、本教示におけるいくつかの変形例によれば、直接日光の下で見ることができ、同時に入射光を取り込んで電力を生むことができる新規性のある反射型カラー・ディスプレイが提供される。このように、ＰＶ機能をディスプレイに直接取り入れることによって、コンピューティング・デバイスのエネルギー取り込み部分を増やすための方法及び装置が提供される。
【００３８】
本技術は、透過型と反射型の両方に対するスペクトル・フィルタリング機能を実現する、例えば、金属−誘電体−金属の構造である共振子構造体を提供する。誘電体層の厚さと、金属性格子構造体の間隔とを調整することによって、透過又は反射のピークは、可視部分又は近赤外（近ＩＲ）範囲などの所定波長の範囲をカバーする。特に好適な可視及び赤外の電磁放射には、約３９０ｎｍから約７５０ｎｍの範囲にわたる波長を有する可視光と、（約０．７５μｍから約１．４μｍの範囲にわたる近赤外（ＮＩＲ）を含む）赤外線放射（ＩＲ）が含まれる。フィルタされた電磁放射は、赤に対しては約６２５ｎｍから７４０ｎｍの範囲における波長を有し、オレンジは約５９０ｎｍから約６２５ｎｍであり、黄色は約５６５ｎｍから約５９０ｎｍであり、緑は約５２０ｎｍから約５６５ｎｍであり、青又はシアンは約５００ｎｍから約５２０ｎｍであり、青又は藍色は約４３５ｎｍから約５００ｎｍであり、紫は約３８０ｎｍから約４３５ｎｍである。さらに、いくつかの態様においては、フィルタされた光は、追加スペクトル、すなわち、いくつかの異なる波長の混合でもよい。例えば、マゼンタは、赤（６２５ｎｍから７４０ｎｍ）と青（４３５ｎｍから５００ｎｍ）の波長からなる追加スペクトルの混合である。
【００３９】
ＲＧＢカラーを作るために顔料による分光を利用する従来の光学フィルタは、４つの別のプロセスによって製造され、これらのプロセスは、製造を複雑にするだけでなく、プロセスにおいて多くの化学物質を無駄にする。従来のＬＣＤディスプレイでは、独立した液晶（ＬＣ）配向層、偏光子シート、及び透明電極が必要とされる。背景として、図１には、例示的な簡略化した従来のＬＣＤパネル・ディスプレイ２０が示されている。処理される光を受ける下側の底部面に沿って、リア偏光子２２が第１の透明基板２４（例えば、ガラス基板）に隣接しており、一方では、上側の上部面に沿って、フロント偏光子３２が第２の透明基板３４に隣接している。底部側では、透明な下側の導体４０（又は、電極）が、（電流の印加時に液晶の所定の配向を誘発する表面組織を有する）下側の配向層４２に隣接して配置されている。また、下側の第１の基板２４は、外部電気接点４４と、上側の配向層５２に接触する接点ブリッジ４６とを有する。
【００４０】
液晶コンパートメント（６０）は、複数の液晶６４を入れるために、第１の基板２４と、上側の配向層５２とに接触している封止部６２によって形成されている。また、２つのスペーサ６６は、上側及び下側の配向層４２、５２の両方と接触して、液晶コンパートメント６０の中に配置されている。上側の透明な導電体（又は、電極）５０は、上側の配向層５２に隣接している。上側及び下側の配向層４２、５２は、液晶を介する光の透過と回転を可能とするように電圧又は電位が印加されたときに液晶６４の好ましい向きを誘発する、相補的な表面組織を有する。ＬＣＤアセンブリ２０の上側には、上側の基板３４に隣接しているブラック吸収マトリックス７２の中に配置されたカラー・フィルタ７０が、上側の透明導電体５０に隣接している。したがって、上側と下側の導体に電位が印加されると、液晶が配向し、その結果、（ディスプレイ・デバイスの中で生成された）白色光が、リア偏光子２２を通過して液晶６４に入り、カラー・フィルタ７０を通って、フロント偏光子３２の外に透過することが可能にされ、それによってフィルタされた有色光が提供される。導体／電極３０、４０に電位が印加されてない場合には、液晶６４はランダムな方向に向いており、入射光は液晶コンパートメントを通過しない。ＬＣＤピクセルは、選択的にアクティブにされ得る（例えば、赤−緑−青の「ＲＧＢ」カラーの１つを提供するように調整された）３つの隣接するカラー・フィルタ・アセンブリをしばしば有する。このような従来のＬＣＤフィルタリング・デバイスに対する一般的な透過効率は、６％ほどのオーダーでしかなく、一方、このような従来のカラー・フィルタ・アセンブリのコストは、ＬＣＤパネルにおけるコスト全体の約２０％になる。
【００４１】
いくつかの態様では、第１の格子構造体（例えば、グリッド又はメッシュパターン）は、第１の向きを有する基板の主要面に形成される。例えば図２及び図３に示されている一例では、格子構造体パターン２００は、主要面２０４を有する基板２０２の上に形成されている。この格子パターンは、薄い金属性の膜などの導電材料から形成されていてもよい。このような薄膜の導電材料からなる実質的に平行な複数の列２０８は、主要面２０４の上に形成される。格子パターン２００における複数の列２０８は、金又はアルミニウムなどの導電性金属を任意選択で含む。いくつかの変形例では、金は、列２０８に対する好ましい導電性金属である。
【００４２】
基板２０２の上に形成された金属の列からなるグリッド・パターン又は格子パターン２００によって、間隔「ｐ」（第１の列２１４における第１の面２１２から、第２の隣接する列２１８における第１の面２１６までで定められる距離）が定められる。隣接する列２０８どうしの間の距離「ｄ」は、以下で説明される開口部（又はアパーチャ又はスリット）と考えられる。距離「ｄ」は、ｄがｄ＝ｐ−ａによって表されるグリッド・パターン２００を通じて変わり得る点に留意されたい。金属の列２０８は、高さ「ｈ」を有しており、それぞれの金属の列２０８の幅は「ａ」である。デューティ・サイクルは、ｆ＝ａ／ｐによって定義される。周期性は、格子パターンにおける１対の列間の少なくとも１つの間隔（ｐ）を指すが、一般には、格子パターンにおいて繰り返す間隔（ｐ）に対応する３つ以上の開口部が存在する。例示的な一実施例では、列２０８どうしの間隔（ｐ）は約７００ｎｍであり、それぞれの列２０８の幅（ａ）は約７０ｎｍであり、それぞれの金属列２０８の高さ（ｈ）は約４０ｎｍである。したがって、異なる波長の光が開口部（ｄ）を透過することができるように金属列の幅（ａ）と間隔（ｐ）を調整することによって、高透過性の共振子構造体を設計することができる。同様に、列２０８を形成する金属材料の膜の厚さ（ｈ）を調整することによって、高いコンダクタンスが達成され得る。このような格子パターン２００は、様々な性能基準に容易に合わせることができる非常にフレキシブルな設計を提供する。
【００４３】
図３に示されているように、フィルタリング・デバイス２２０は、主要面２２４を有する基板２２２の上に配置された複数の薄い層（２３０、２４０、２５０）からなるアセンブリを含む。導電金属材料２２８からなる第１の複数の列は、基板２２２の上に配置されており、第１の金属格子層２３０を定めるために主要面２２４の上に最初のパターン又はグリッドを定めている。第１の複数の列２２８は、「ｈ１」で示される高さを有する。第２の層２４０を定めるために、（導電金属材料２２８からなる複数の列の上には）絶縁体又は誘電体材料２３２などの活性材料が第１の金属格子層２３０の上に配置される。この誘電体材料２３２は、「ｈ２」で示される高さを有する。最後に、第２の別の格子構造体すなわち第３の層２５０を定めるために、誘電体材料２３２の上には、導電金属材料２３４からなる第２の複数の列が配置される。第２の複数の列２２８は、「ｈ３」で示される高さを有する。導電金属材料２３４からなる第２の複数の列は、導電材料２２８からなる第１の複数の列に対して相補的であるが、それらが、垂直方向と水平方向に実質的にそろえられており、また主要面２２４の上に同じ幅「ａ」を定めているためである。合わせて、導電材料２２８からなる第１の複数の列と、導電金属材料２３４からなる第２の複数の列とは、多層アセンブリの共振子構造体を生み出す垂直方向の微細構造体２４８を形成するために誘電体材料２３２をサンドイッチ状に挟んでいる。垂直方向の微細構造体２４８は、主要面２２４から測定される、ｈ＝ｈ１＋ｈ２＋ｈ３である「ｈ」の高さを有しており、主要面２２４の上の格子パターン又はグリッドを定めている。したがって、サブ波長の開口部又はスリット２５２は、それぞれの垂直方向の微細構造体２４８どうしの間に形成され、ｄ＝ｐ−ａによって表される幅「ｄ」を有し、このうち、ｐは隣接する微細構造体列２４８どうしの間隔であり、ａは微細構造体列２４８の幅である。
【００４４】
いくつかの変形例では、光学式スペクトル・フィルタリング・デバイスは、可視光範囲における所定範囲の波長を有し、フィルタ・デバイスを出るフィルタされた出力を生成する。いくつかの実施例に対しては、本教示に従って作製されるカラー・フィルタの設計によって、ピクセルを形成するために用いることができるシアン、マゼンタ、及び黄色（ＣＭＹ）が任意選択で作られる（例えば、図６Ａ〜図６Ｃ参照）。例えば図１０Ａ〜６Ｄに示されている他の実施例では、赤、緑、及び青（ＲＧＢ）並びに黄色の原色が作られてもよい。色方式は加法であり、それによって任意の色が生み出される。
【００４５】
いくつかの変形例では、光学式スペクトル・フィルタリング・デバイスの反射型フィルタは、可視光範囲における所定範囲の波長を有し、フィルタ・デバイスを出るフィルタされた出力を生成する。このような所定範囲の波長は、非限定の実例として、赤、緑、青、シアン、マゼンタ、黄色、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される色を含み得る。
【００４６】
本教示は、プラズモン共振子構造体を組み込むことによって、明瞭な色を有するディスプレイ用の新規性のある画像ピクセルを構築することに関する。色は、構造体のパラメータを変更することによって容易に調節される。例えば、例示的なカラー・ピクセルに対する透過スペクトルは、約６０％以上の効率、任意選択では約６５％以上の効率、任意選択では約７０％以上の効率、任意選択では約７５％以上の効率、任意選択では約８０％以上の効率、任意選択では約８５％以上の効率、またいくつかの好ましい態様では、任意選択で約９０％以上の効率を呈することができ、効率は、従来のカラー・ピクセルに比べて高く、シミュレーション結果に基づいて予測される効率と同様であることが望ましい。さらに、プラズモン共振子構造体を組み込んでいるピクセルに対するフィルタリング・デバイスの効率は、著しく増加し得る。
【００４７】
例えば、図２５に示されている狭帯域のカラー・フィルタの設計では、アルミニウムを含む金属格子と高屈折率の誘電体材料との間にバッファ層が配置されている。ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）：ポリ（スチレンスルホナート）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）、炭酸セシウム（Ｃｓ２ＣＯ３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、五酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、酸化ニッケル（Ｎｉ２Ｏ）、酸化モリブデン（ＭｏＯ３）、及びこれらの組み合わせを含む様々なバッファ材料を選択することができる。
【００４８】
図２５の実施例では、バッファとして低屈折率の材料層が選択されているため、この材料層は低屈折率の誘電体材料（ＳｉＯ２など、この場合、ｎ＝１．５）を含む。この低い率の層は、約５０ｎｍの厚さを有し、バッファ層として働く。高屈折率の誘電体材料（Ｓｉ３Ｎ４）（屈折率、ｎ＝２．０）は、約１００ｎｍの厚さでバッファ層に隣接して設けられており、変調層として働く。高い率の誘電体材料の変調層は、ＳｉＯ２を含むガラス基板に隣接して配置されている。このようなバッファ層を含むことは、透過効率を著しく増加させ得る。
【００４９】
格子構造体の周期性は可変であり、そのため、一方の端部では、アルミニウム列のペア間の開口部は、第２の反対側の端部における開口部より大きい。したがって、図２５Ａに示されている構造体では、第１の間隔は３００ｎｍであり、第２の間隔は２５０ｎｍであり、また第３の間隔は４５０ｎｍである。図２５Ｂは、異なる間隔に対応する異なる離散的領域に対する、実験によるフィルタリングの結果を示しており、このうち、フィルタされた出力は、第１の領域では青であり、第２の領域では緑であり、第３の領域では赤である。図２５Ｃは、このようなデバイス構造体に対するシミュレーションを示しており、光出力にフィルタされた青、赤、及び緑に対して、波長に対する透過を示す。一方、比較となる実際の実験結果が図２５Ｄに示されており（バッファ層構造を含む）、ここでは、シミュレーション結果に比べると青、赤、及び緑に対する透過レベルが望ましいことに高く、半値全幅（ＦＷＨＭ）は約２５ｎｍから約３０ｎｍの範囲である。このようなフィルタ・デバイスは、高い透過を有し、それによって著しく改善されたエネルギー効率を有することが望ましい。
【００５０】
上記で説明されたように、本開示におけるいくつかの態様によるサブ波長の金属性格子は、薄く平らな構造体であり、他の薄膜の光学素子と共に容易に組み込むことができる。例えば、二重層の金属ワイヤグリッドは、特定の距離だけ離された（例えば、誘電体又は絶縁体材料の分だけ離された）２つの金属格子と考えることができる。このタイプの多層構造体は、２つの直交する偏光光どうしの間の極めて高い消光比を示すだけでなく、製造の容易さと、欠陥の許容範囲とにおける利点も提供する。
【００５１】
図１１に示されているように、本開示は、カラー・フィルタリング用にプラズモン・ナノ共振子フィルタ・デバイス６００を提供する。光源６３０の一部は、フィルタ・デバイス６００を透過し、フィルタされた出力６４０を生成する。このフィルタ構造体６００の構造は次の通りである。透明基板６０２は主要面６０４を画定しており、主要面６０４の上には複数の列６２０が形成されている。共振子アセンブリ構造体６２２は、サブ波長のナノ格子などの、第１の導電性金属格子構造体６０６を含む。第１の導電性金属格子構造体は、光学共鳴のしくみによって、所定範囲の波長を有するフィルタされた出力６４０を生成するために、電磁スペクトルの一部を透過させることができる少なくとも２つの開口部６２４を含む。さらに、第１の導電性金属格子構造体６０６における開口部６２４は、フィルタされた出力に対する所定範囲の波長より小さい少なくとも１つの寸法を有する。共振子アセンブリ６２２は、誘電体材料層６０８をも含む。共振子アセンブリ６２２は、誘電体材料６１０の反対側に沿って配置された第２の導電性金属素子を任意選択でさらに含む。
【００５２】
図１１に示されている実施例では、第２の導電性素子は、誘電体材料層６０８の上に配置された第２の導電性金属格子構造体６１０の形態である。第１の導電性金属格子構造体６０６、誘電体材料６０８、第２の導電性金属格子構造体６１０は、水平及び垂直の向きに実質的にそろえられるように配置されているため、所定範囲の波長を有するフィルタされた出力を生成する共振子構造アセンブリ６２２を通じて開口部６２４を共に定めている。共振子アセンブリ６２０によって定められる周期性（例えば、導電性格子構造体６０６及び６１０における開口部６２４のａ＋ｄによって計算することができる間隔「ｐ」を参照）により、プラズモン・フィルタリング・デバイス６００を透過する所定範囲の波長が求められる。
【００５３】
いくつかの変形例では、第１の導電性金属格子構造体６０６、及び、第２の導電性金属格子構造体６１０は、金、アルミニウム、銀、銅、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される金属を含むことができる。さらに他の変形例では、誘電体材料６０８は、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、及び酸化チタン（ＴｉＯ２）からなる群から選択されてもよい。透明基板６０２は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）又はフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）などの、光学デバイスのための従来の透明基板から形成されてもよい。
【００５４】
このように、図１１と同様の設計を有する好適な光学式プラズモン・スペクトル・フィルタリング・デバイスの１つは、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）の透明な膜６０２の上に、間隔（ｐ）を有するサブ波長の周期性ＭＩＭ積層アレイ、すなわち共振子構造体アセンブリ６２２を有する。それぞれの積層（それぞれの列６２０）には、１００ｎｍの厚さのセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）の誘電体層６０６が、４０ｎｍの厚さの２つのアルミニウム（Ａｌ）の層（６０６、６１０）によってサンドイッチ状に挟まれており、誘電体コアの厚さは、誘電体ＺｎＳｅ層６０８の内側における可視周波数のＳＰ波の空間的広がりに基づいて求められる。１００ｎｍの厚さのＺｎＳｅ誘電体層６０８によって、積層又はアセンブリ６２２の上部端及び下部端におけるＳＰモードの効率的な結合が確実なものとなり、一方、４０ｎｍの厚さのＡｌ層６０６は、入射光の直接的な透過を防止する。積層アレイのデューティ・サイクルは約０．７である。下部のＡｌ格子６０６は、入射光を回折によってプラズモン導波路モードに選択的に結合させるために用いられ、一方、上部のＡｌ格子６１０は、閉じ込められたプラズモンを、伝播する波に拡散によって再変換し、光６３０を前方方向における遠距離場に透過させる。
【００５５】
図１０Ａは、図１１と同様であるが４つの別の色（赤、緑、青、及び黄色）を生成する、発明性のあるナノ共振子における実施例の概略図を示す。ＴＭ偏光波（電場はＡｌ格子の方向と垂直である）の場合、横方向の磁気プラズモン分散関係は図１０Ｂにプロットされており、ＭＩＭ構造は、反対称モードに対しては、
【数１】
2013525863.tif 000003
によって与えられ、対称モードに対しては、
【数２】
2013525863.tif 000004
によって与えられる。ここで、ｋｚは、運動量の保存、すなわち、
【数３】
2013525863.tif 000005
によって定義され、このうち、εは複素誘電率であり、添え字１及び２は、絶縁体層と金属層であり、ｄは絶縁体層の厚さである。ここでは、すべての材料は非磁性であると想定されているため、透磁率は１に等しい。Ａｌ／ＺｎＳｅ／Ａｌの積層アレイは、０．７のデューティ・サイクルを有するため、絶縁体層の誘電率は、有効媒体理論に従って計算される。Ａｌの複素誘電率は、実験的によって測定されたデータをあてはめることによって説明される。ＺｎＳｅ層におけるＳＰ波の空間的広がりは、可視周波数において約１００ｎｍであると計算される。したがって、積層の上部端及び下部端におけるＳＰモードの効率的な結合を確実なものとするために、１００ｎｍの厚さのＺｎＳｅ層が選択されている。その後、式（１）及び式（２）を解くことによって反対称モード及び対称モードに対するプラズモン分散が得られる。
【００５６】
図１０Ｂには、ＴＭ偏光波（電場はＡｌ格子の方向と垂直である）について、Ａｌ／ＺｎＳｅ／Ａｌの積層アレイにおける横方向の磁気プラズモン分散がプロットされている。ここでは垂直の入射だけが考えられているため、積層の間隔は、±１次の回折によって、Ｐ＝２７ｒ／ｋとして、プラズモンの横方向の波のベクトルに関係する。図１０Ｂより、ＳＰ反対称モードが、可視範囲全体にわたってほぼ線形の分光を有していることが明らかにわかる。したがって、ＳＰ反対称モードは、入射平面波を選択的に内部に結合し、閉じ込められたＳＰモードを遠距離場に拡散するための媒介として用いることができる。線形に近い分光によって、可視帯域全体にわたる任意の色に対して単純明快な、発明性のあるフィルタの設計が行なわれる。実例として、図１０Ｂにおける赤、緑、及び青のスポットは、３つの基本的なＲＧＢカラーを表す。それらは、±１次の回折によって特定の積層間隔に対応する異なる横方向の波のベクトルを有する。図１０Ｃには、ＲＧＢカラーに対してシミュレーションされた透過スペクトルが示されている。積層における対応する間隔は、マイクロ加工技術及びナノ加工技術によって加工することが可能な３６０ｎｍ、２７０ｎｍ、及び２３０ｎｍである。しかし、ＴＥ偏光光（電場はＡｌワイヤの方向に平行である）は、ＳＰモードの励起をサポートしないため、明らかな光の変換プロセスは見られない。そのため、ＴＥ偏光光は、共鳴波長において強く抑圧され、透過は極端に低くなる。このことは、このような透過型のカラー・フィルタが、偏光素子として同時に機能することを示しており、ディスプレイの用途にとっては極めて望ましい特徴である。
【００５７】
図１０Ｄは、図１ｂの赤のスポットに対応する、あるＭＩＭ積層におけるシミュレーションされた時間平均の磁場強度と、電気変位（矢印）プロフィールとを示す。ＴＭ偏光の入射光は、６５０ｎｍの波長を有しており、積層の間隔は３６０ｎｍである。磁場強度は、ほとんどの入射光がＡｌ格子の上部端及び下部端付近において最大強度で反対称の導波路モードに結合していることを示しており、このことは、発明性のある設計が基づいている原理を支持している。電気変位からは、ＳＰ反対称モードに対する入射光の効率的な結合が、（従来観測されているように、電気変位が、ループを形成し、誘電体層の内側における入射光の磁場に対向する強い磁場をもたらす所で）強い磁場応答によって実現されている。
【００５８】
このように、いくつかの変形例では、発明性のあるプラズモン光学スペクトル・フィルタリング・デバイスは、偏光子デバイスとして働く。さらに、このような発明性のあるプラズモン光学スペクトル・フィルタリング・デバイスは、ディスプレイ・デバイス用のピクセルを形成することもでき、この場合、フィルタのかけられる複数の色は、互いの近傍で作られ得る。他の実施例では、第１の導電金属格子は、フィルタ機能を実施するために、異なる屈折率である１つ又は２つの誘電体層の上部に作られ、高い透過及び狭い帯域幅等の実用性を提供する（実例として、図２５参照）。他の実施例では、偏光依存を減らすために２次元（２Ｄ）のグリッド構造体を用いることができる。
【００５９】
フォトニクスにおけるナノ構造体、及びそれらのユニークな応用による光の相互作用の制御は、光の取り扱いに向けたナノ加工技術、及び特性評価技術の発展の中で用いることができる。上記で説明されたように、ナノホール、ナノスリット、及び関連するナノ構造体における光学共鳴効果は、カラー・フィルタの用途に利用することができる。本教示におけるいくつかの態様によれば、共振子構造体は、第１の金属格子と、誘電体材料又は光活性材料から選択され得る活性材料とを含む、複数の層を含むフィルタリングアセンブリでもよい。本開示におけるいくつかの実施例による、カラー・フィルタとして用いるのに適した金属−誘電体−金属の構築ブロックは、（有機半導体材料が２つの導電性の電極によってサンドイッチ状に挟まれている）有機太陽電池、又は、光起電力の構造体に類似している。このような実施例では、有機半導体を含む光活性材料は、エネルギー変換用に特別に設計された光カラー・フィルタの一体部分として、多層膜アセンブリに組み込まれている。いくつかの実施例では、光活性材料は、光起電力の用途で一般に用いられている電子ドナー材料と電子アクセプタ材料との両方を含むバルクへテロ接合材料を含むことができる。特定の波長において光の減衰が起こる場合には、光エネルギーは、有機半導体の光活性材料によって吸収され、それによって光電流が生成される。したがって、本教示によれば、デバイスは、いくつかの実施例では特定の色をフィルタで通すだけでなく、太陽電池、又は、光起電力のセルとして、光電流すなわち電気エネルギーを生み出すことが可能な設計を有する。
【００６０】
いくつかの実施例では、反射型のカラー・フィルタリング・デバイスは、発電が可能である。反射色は鮮やかであり、日光の中でグレアがない。それらのデバイスは、戸外の利用に対しては透過型のフィルタ技術よりも優れており、より多くのエネルギー吸収のためには、直接日光のもとではさらに良好である。したがって、本開示におけるいくつかの実施例によれば、特定の光学式スペクトル・フィルタリング・デバイスは、（所望の色を実現することをカラー・フィルタに要求する）大抵のディスプレイの用途では無駄にされるエネルギーをリサイクルすることができる。さらに、有機太陽電池（ＯＰＶ）のセル構造体は、いくつかの二元機能デバイスの実施例に組み込まれる。したがって、この手法により、低コスト、容易な製造、及び、広い範囲にわたるフレキシブル基板との整合性などのＯＰＶの利点も生かされる。さらに、パワー変換効率（ＰＣＥ）と実用的な製造方法の改善における多大な努力を補う、ＯＰＶの代替的な用途が意図されている。
【００６１】
図４に示されている例示的な一実施例では、多層化された二元機能の光起電力カラー・フィルタリング・デバイス３００は、所望の反射色を作り出すことができ、また同時に、吸収された光３２０を変換して電気を生成することができる。より具体的には、ピクセルの反射スペクトルはデバイス３００によって作られる。反射型のカラー・フィルタは、カラーの塗料と同様に作用し、例えば、特定の波長に対応する光を吸収するが他の光を反射するため、この実施例では、シアン、マゼンタ、及び黄色が三原色であるＣＭＹカラー方式が採用されている。透明基板３０２は、二酸化ケイ素（例えば、シリカ）などのガラスを含むことができる。第１の電極３１０は、基板３０２の近くの積層構成物の中に配置され、図４に示されているように、任意選択のバッファ層３０４の一部の中に配置されている。バッファ層３０４は、例えば、透明基板３０２を覆って配置されていてもよい。バッファ層３０４は、第１の電極３１０からの電荷移動を増強するように働く。第１の電極３１０はアノードでもよく、金又は他の導電材料を含むことができる。バッファ層３０４は、例えば、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）、又は代替的に、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）：ポリ（スチレンスルホナート）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）を含むことができる。好適な他のバッファ材料には、炭酸セシウム（Ｃｓ２ＣＯ３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、五酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、酸化ニッケル（Ｎｉ２Ｏ）、酸化モリブデン（ＭｏＯ３）、及びこれらの組み合わせが含まれる。
【００６２】
多層デバイス３００は、１つ又は複数の光活性の有機半導体材料３１２を含むことができる。半導体材料層３１２は、バッファ層３０４に隣接している。光活性の半導体材料層３１２は、［６，６］−フェニルＣ６１酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）などの有機電子アクセプタと混ぜ合わされた、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）などの有機電子ドナー等の材料を含み、ミックスされたＰ３ＨＴ：ＰＣＰＭの混合層を形成する。本教示はいかなる特定の有機材料系にも限定されないが、例示の目的では、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）：［６，６］−フェニルＣ６１酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）の共役ポリマー系は、例示的なモデル系として用いられるバルクヘテロ接合（ＢＨＪ）Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭのブレンドを示す。
【００６３】
第２の電極３１４は、光活性材料層３１２の面に沿って配置されている。この第２の電極３１４は、透明なカソードでもよく、アルミニウム又は他の導電材料を含むことができる。アルミニウム（カソード）を含む第２の電極３１０は、活性の有機半導体層（バッファ層３０４と光活性材料層３１２）をサンドイッチ状に挟む連続的な膜の形態でもよい。いくつかの変形例では、第１の電極又は第２の電極は、ナノ格子でもよい。第１のアノード電極３１０の幅「Ｄ」は、構造体の間隔「Ｐ」と同様に図４に示されている。図５Ｂでは、図４と同様の構造体用の同じピクセル（図５Ｃ）の吸収動作が比較されている。図５Ａに示されている構造体のカラー選択特性は、補色を反射するいかなる反射防止層も用いずに特定の波長範囲における入射光３２０のすべての吸収（ほぼ１００％）によるものである点は強調されるべきである。
【００６４】
共振子構造体が光起電力のデバイスとして働くことができる変形例では、ディスプレイ・デバイスは、スクリーンに隣接するか、又はスクリーンの近くにあるユーザの指の影又は位置を示す低下した光起電力の出力を検出することができる、「タッチ・スクリーン」のディスプレイ・デバイスとして用いられてもよい。低下した光起電力の出力におけるこの指示は、（「タッチ・スクリーン」入力などの）ユーザの入力又は選択を受けるためのユーザインタフェースとして用いることができる。しかし、いくつかの実施例では、スクリーンにおける実際の接触は必要なくてもよい点を理解されたい。
【００６５】
図６Ａ〜図６Ｃは、本開示に従って作製された、いくつかのエネルギー取り込みカラー・フィルタの概略図を表しており、このうち、共役ポリマー層は、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）：ポリ（スチレンスルホナート）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）からなるバッファ層４０２を含み、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）：［６，６］−フェニルＣ６１酪酸メチルエステル（Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ）ブレンドの光活性材料４１０は、金を含むナノ格子層４１２と、アルミニウムを含む連続的な厚膜を形成しているカソード４１４とによってサンドイッチ状に挟まれている。ナノ格子４１２は、ガラスを含む透明基板４０４に隣接している。図６Ａ〜図６Ｃにおけるそれぞれのフィルタ・デバイスは、図６Ｄ〜図６Ｆに見られるように、フィルタされた出力として異なる色を生み出す異なる周期性（図６Ｇ〜図６Ｉ）を有する。それぞれの材料の選択とその役割は、以下でさらに説明される。
【００６６】
図６Ｇ〜図６Ｉは、作られたナノ格子における走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の画像である。ここでは、ナノ格子４１２用には、アノードとしての優れた導電性と適切な仕事関数のために金（Ａｕ）が選ばれている。周期性のあるＡｕナノ格子構造体４１２は、広い面積の透明電極を作り、その上にＯＰＶセルが容易に作られるように、ナノインプリント・リソグラフィ（ＮＩＬ）、続いてリアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）、金属蒸着、及びリフトオフ・プロセスを用いて製造される。アノードとしてＡｕナノ格子４１２を用いる完全なＯＰＶ構造体の製造は次の通りである。まず、正孔移動層としてＯＰＶ構造体でしばしば用いられる（また、正孔の収集に対して優れた働きを有する）導電性のＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層が、（「バッファ」層４０２として）Ａｕナノ格子のアノードの上に成形される。金属性ナノ格子４１２と、（例えば、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを含む）バッファ層４０２とを含むこのような「複合」アノード構造体は、効率的な正孔の収集と、金属列／ラインどうしの間の移動とを確実なものとすることができる。
【００６７】
次に、Ｐ３ＨＴとＰＣＢＭのブレンド又は混合物を含む高性能なバルクへテロ接合（ＢＨＪ）の光活性層４１０が作られ、吸収された光を光電流に変換するように働く（例示的な電流収集デバイスを示す図６Ｂの電気コネクタ４２２を参照）。光活性材料層４１０におけるＢＨＪナノ構造体を最適化するための熱アニーリングの後、連続的なＡｌ膜層が、カソード４１４として熱的に堆積される。Ａｌは、薄いＬｉＦ層と組み合わせられた際の、ＯＰＶセル用のカソード材料としての優れた性能とコスト効果とによって選ばれている。極薄である１ｎｍの厚さのＬｉＦ膜（図示せず）は、ＯＰＶセルの性能を向上させるために任意選択で用いられるが、デバイスの光学特性には影響を及ぼさないようである。また、Ａｌ層４１４は、入射光の直接的な透過を防止する。
【００６８】
発明性のある設計原理と、上記で説明された製造プロセスとに続いて、自然光の条件のもとで基本的なＣＭＹカラー（シアン、マゼンタ、及び黄色）におけるフィルタされた３つの明瞭な出力を生成するためのフィルタリング・デバイスが作られる。まず、ＣＭＹカラーを生成するために、ＴＥ偏光光を調節するように３つの厚さ（９０ｎｍ、６５ｎｍ、及び５０ｎｍ）のバルクへテロ接合（ＢＨＪ）の活性層４１０がそれぞれ形成される。次に、所与の光活性層の厚さのもとでＴＭ偏光光を調節するために、対応する３つの間隔（４２０ｎｍ、２８０ｎｍ、及び２２０ｎｍ）の、金を含むナノ格子４１２が選択される。３つすべての場合において、Ａｕナノ格子４１２の厚さとバッファ（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）層４０２の厚さは、それぞれ４０ｎｍと３０ｎｍである。すべてのＡｕナノ格子４１２は、約０．７のデューティ・サイクルを有する（Ａｕのライン幅は、間隔の０．７である）。光４２０は、Ａｕアノード４１２の側からカラー・フィルタに照射され、反射した明瞭なＣＭＹカラー（広い範囲にわたるフィルタされた出力４１６Ｃ、４１６Ｍ、４１６Ｙ）を示す写真画像が撮られている（図１Ｄ〜図１Ｆ）。
【００６９】
広い面積の金属性ナノ構造体は、光学的透明度と電気伝導度とを調節することによって、有機オプトエレクトロニクス用の半透明の電極として用いることができる。有利なことには、発明性のある設計によって、多層デバイスにおける周期性のある金属性ナノ格子が提供され、このナノ格子は、様々な色を生成するために入射光を変調するためのナノ構造体として働くだけでなく、有機太陽電池（ＯＰＶ）用の光学的な半透明のアノードとしても働く。このような構造では、アルミニウムなどの低い働きの導電性金属膜は、カソードとして働くことができる。
【００７０】
カラー・フィルタは、自然の入射光に対して偏光の影響を受けないことが望ましい。このことを実現するために、横電界（ＴＥ）の波と、横磁界（ＴＭ）の波に対する異なる設計方法を用いることができ、それによって、両方の偏光に対する同様の反射スペクトルを色ごとに得ることができる。まず、いくつかの態様では、構造体は、ファブリ・ペロー共鳴器に似ている。光が（例えば、金を含む）ナノ格子にあたると、その光は、底部の金属素子又は金属膜（例えば、アルミニウムを含む膜）から反射した波と干渉することになる。弱め合う干渉が起こると、反射スペクトルは最小値に至り、対応する色の光エネルギーは吸収されることになり、補色はその構造体によって反射する。
【００７１】
図７Ａは、Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭブレンド層の厚さ（図７Ａ、Ａｕ格子間隔は２８０ｎｍに固定）に応じた、ＴＥ偏光光（電場はＡｕナノ格子の方向に平行である）に対して計算された反射スペクトル・マップを示し、図７Ｂは、Ａｕナノ格子の間隔（図７Ｂ、ブレンド層の厚さは５０ｎｍに固定）に応じた、ＴＥ偏光光に対して計算された反射スペクトル・マップを示す。これらのマップにおける青の領域は、反射の最小値を示し、この場合には、光エネルギーは、構造体によって吸収される。ファブリ・ペローの干渉から予想されるように、共鳴吸収波長はブレンド層の厚さに直線的に比例しているが、ナノ格子の間隔にはほとんど依存していない。ＴＭ波（電場はＡｕナノ格子の方向に垂直である）の場合には、ＴＭ波がサブ波長の格子構造体を通じてプラズモン・モードに効率的に結合し得ることがよく知られていることから、さらなる考察が行なわれる必要がある。
【００７２】
図７Ｃは、Ａｕナノ格子の間隔に応じた、ＴＭ偏光波に対して計算された反射スペクトルのマップを示す。ここでは、Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭブレンド層の厚さは５０ｎｍのままである。ファブリ・ペローの干渉によってもたらされる吸収帯に加えて、プラズモン導波路構造体におけるＳＰモードの分裂から生じている（白の破線で示されている）２つのさらなる共鳴吸収縞が見られる。これらのモードにおける分光特性は、Ａｕナノ格子の間隔に対して強い依存性を示すが、これは、Ａｕナノ格子の間隔が、ＳＰモードに結合させるための、ＴＭ偏光光に対する位相整合条件を提供するためである。Ａｕナノ格子の間隔に対してファブリ・ペローの共鳴が影響を受けないことの利点を生かすことと、ＴＭ偏光光がＴＥ偏光光と同じ波長の付近で吸収されるように特定の間隔を選ぶこととによって、偏光に依存しない反射色がもたらされる。
【００７３】
図７Ｄは、４９０ｎｍの同じ共鳴吸収波長における、ＴＭ波とＴＥ波に対してシミュレーションされた磁場強度を示す。Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭブレンド層の厚さと、Ａｕナノ格子の周期性は、それぞれ５０ｎｍと２２０ｎｍである。ＴＭ偏光に対する磁場分布は、Ａｕ−ＰＥＤＯＳ：ＰＳＳの境界面、及び、Ａｌ−Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭの境界面においてプラズモンの動作を呈していることが明らかにわかる。ＴＥ偏光の場合には、磁場分布は、従来のファブリ・ペローの干渉における分布に似ており、発明性のある設計原理をサポートしている。
【００７４】
図８Ａ〜図８Ｆは、デバイス構造体におけるシアン、マゼンタ、及び黄色（ＣＭＹ）の反射スペクトル、すなわち、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）の方法によるシミュレーション結果（上側のパネル−図８Ａ〜図８Ｃ）と、広帯域の白色光の光源を用いて測定された実験結果（下側のパネル−図８Ｄ〜図８Ｆ）とを示す。理解されるように、予測されたカラー・フィルタリングの動作が得られ、実験によって測定されたスペクトルは、偏光と非偏光の両方の光の状態に対して計算されたシミュレーション結果とよく合っている。
【００７５】
最終的には、（１００ｍＷｃｍ−２の強度における）振幅補正（ＡＭ）１．５Ｇの疑似太陽光のもとで反射型カラー・フィルタ・デバイスにおける光起電力の特性が測定され、図９には、電圧に対する電流密度の特性がまとめられている。ＣＭＹカラー・フィルタに対して測定されたパワー変換効率（ＰＣＥ）は、それぞれ１．５５％、０．８２％、及び０．６０％である。シアン色のデバイスは、最も厚い光活性層（約９０ｎｍの厚さ）を有するものであり、この構造体において十分な光吸収をもたらし、最も高い短絡電流（ｋ）とフィル・ファクタを伴う最も良好な効率を示している。マゼンタ色のデバイスは、通常はほぼ５５０ｎｍに中心のある、電子ドナー材料Ｐ３ＨＴの最大エネルギーバンドの近くで良好にマッチした吸収を有し、さらに薄い光活性層（約６５ｎｍの厚さ）でさえもシアン色に匹敵するＪＳＣを有している。
【００７６】
また、黄色のフィルタは、最も低いＪＳＣを与える最も薄い光活性層（約５０ｎｍ）によって電子ドナーのエネルギーバンド付近の低い吸収を有するにもかかわらず、ＯＰＶセルとして見事に電力を生成している。さらに、本教示における金属性ナノ格子は、太陽電池用の半透明の電極として同時に働くため、より広い金属ライン（０．７のデューティサイクル）を使用することは極めて望ましいが、それは、このことが電極の抵抗を著しく減らすためであり、電極の抵抗を減らすことは、パワー変換効率（ＰＣＥ）を劣化させることのない広い面積の太陽電池にとって重要である。実例として、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）の透明電極の上に作られている現行のＯＰＶセルは、抵抗のある電極での電圧降下のためにそれらの透明電極が広い範囲に作られている場合、透明なＩＴＯにおける不十分なコンダクタンスを依然として有している。さらに、曲げられた状態においてコンダクタンスの劣化のないフレキシブルな基板の上の金属性ナノ構造体における優れたフレキシビリティと、広範囲のロール・ツー・ロール・プロセッシングへの適用性とによって、これらの二元機能のデバイスは、広範囲のフレキシブルなディスプレイの用途に対して有用なものとなる。
【００７７】
別の好都合な利点は、このような発明性のある光カラー・フィルタの縦方向の厚さが、（ＬＣＤディスプレイ・パネル用の）従来の顔料ベースのフィルタの厚さに比べて約２桁薄い、２００ｎｍ未満となる点である。これは、極薄のカラーデバイスの設計にとって極めて魅力的である。
【００７８】
このような反射型のカラー・フィルタリングの実施例では、同時に、ＯＰＶ機能が単一のデバイスの中に組み込まれる。それ以外の場合には完全に無駄にされる、カラー・フィルタによって吸収された光は、ＯＰＶによって取り込まれて光電流を発生させる。ディスプレイ・デバイスにおいて、さらに優れ、またさらに高い効率を提供することが期待されている本教示の二元機能デバイスは、著しく改善されたエネルギー効率の電子メディアにつながる可能性がある。
【００７９】
「実例１」
金のナノ格子は次のように作られる。異なる周期性（４２０ｎｍ、２８０ｎｍ、及び２２０ｎｍ）を有する３種類の広い範囲のＡｕナノ格子は、ナノインプリント・リソグラフィ（ＮＩＬベース）のプロセスによって作られる。ＮＩＬは、５分間、４．１４ＭＰａ（６００ｐｓｉ）の圧力と１８０℃の温度でガラス基板上にスピンキャストされた、ＭＲＩ−８０３０レジスト（Ｍｉｃｒｏｒｅｓｉｓｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ＧｍｂＨ）に対して０．７のデューティ・サイクルを有するＳｉＯ２の型を用いて、Ｎａｎｏｎｅｘ  ＮＸ２０００ナノインプリンタ（Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ、ＮＪ）で行なわれる。冷却、及び、型からの取り出しの後、インプリントされた格子構造体のそれぞれの側壁には、Ｔｉが角度蒸着によって選択的に蒸着する。レジストパターンの上に蒸着したＴｉは、Ｏ２のリアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）中に、リフトオフ・プロセスを容易にするアンダーカット構造を生じさせた。Ｏ２のＲＩＥ（２０ｓｃｃｍ  Ｏ２、１．６Ｐａ（１２ｍＴｏｒｒ）のチャンバ圧力、及び３０Ｗのバイアス電力）、電子ビーム蒸着装置を用いた４０ｎｍのＡｕと１ｎｍのＴｉの蒸着、及びリフトオフ・プロセスによって、基板上のＡｕナノ格子構造体の製造が完了した、
【００８０】
二元機能デバイスは、次のように作製される。ガラス上のＡｕナノ格子は、２０分間、超音波処理のもとでアセトンとイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）のそれぞれの中で洗浄され、６０分間、Ｏ２プラズマによって処理される。次に、洗浄された基板は、Ｎ２パージされたグローブ・ボックスに移され、約３０ｎｍの厚さの層を蒸着させるために、選別されたＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ、Ｃｌｅｖｉｏｓ  ＰＨ  ５００）がＡｕナノ格子電極の上にスピンキャストされ、次にこの層は１１５℃で１５分間焼成される。光活性層については、Ｐ３ＨＴ（Ｒｉｅｋｅ  Ｍｅｔａｌｓ  Ｉｎｃ．、４００２−Ｅ、約９１％の位置規則性）及びＰＣＢＭ（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｄｙｅ  Ｓｏｕｒｃｅ、９９．５％を超える純度）が、到着ベース（ａｓ  ｒｅｃｅｉｖｅｄ）として用いられ、ブレンド溶液は、両方の成分を重量比１：１の関係のクロロベンゼンの中で溶解することによって調製される。この溶液は、均一なブレンド・システムを与えるために、Ｎ２パージされたグローブ・ボックスの中でほぼ１２時間攪拌され、０．４５μｍのフィルタを用いて濾過される。このブレンド溶液は、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層の上にスピンキャストされ、１３０℃で２０分間アニーリングされる。ブレンド膜の厚さは、溶液の濃度と、スピンコートの速度とを変更することによって調節される。有機層の厚さは、Ｄｅｋｔｅｋのプロファイラによって測定される。熱処理後、ＬｉＦ（１ｎｍ）及びＡｌ（７５ｎｍ）が、円形のシャドウマスクを通して０．８×１０−７ｋＰａ（８×１０−７ｍｂａｒ）の圧力で熱蒸着装置によって堆積される。
【００８１】
電圧に対する電流の特性などの、太陽電池／光起電力の性能測定は、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ  ２４００システムを用いて、ＡＭ１．５Ｇの疑似太陽光でＯＰＶセルを照射することによって行なわれる。この疑似太陽光には、１００ｍＷｃｍ−２の照射強度を有するＯｒｉｅｌ  Ｓｏｌａｒ  Ｓｉｍｕｌａｔｏｒが用いられ、このシミュレータは、パワーメータ（ＯＰＨＩＲ、Ｎｏｖａ−Ｏｒｉｅｌ）と、基準のシリコン太陽電池とによってキャリブレーションされている。
【００８２】
「実例２」
例えば上記で説明された図１０Ａにおける、カラー・フィルタリングのためのプラズモン・ナノ共振子デバイスは、次のように形成される。簡単な製造の場合、デバイスは、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）の透明膜の上にある、間隔Ｐを有するサブ波長の周期性のＭＩＭ積層・アレイとして設計される。ガラス基板は洗浄プロセスを用いて作製される。２２０ｎｍのフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）層、４０ｎｍのＡｌ、１００ｎｍのセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、及び別の４０ｎｍのＡｌが、０．５ｎｍｓ−１の堆積速度を有する電子ビーム蒸着装置によって順次堆積される。酸化からＡｌを保護するために、サンプルは、測定前には無酸素のグローブ・ボックスに保管される。積層ごとに、４０ｎｍの厚さの２つのアルミニウム（Ａｌ）の格子層によって１００ｎｍの厚さのセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）の誘電体層がサンドイッチ状に挟まれている。積層アレイのデューティ・サイクルは、約０．７である。
【００８３】
パターンは、Ｎｏｖａ  ＮａｎｏＬａｂ  ＤｕａＬｂｅａｍ  ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ（ＦＥＩ）に備えられている集束イオン・ビームによってミリングされた。ミリングは、イオン・ビームと電子ビームに関するすべてのパラメータを調節することができる、ＦＥＩによって提供されるオートＦＩＢプログラムを用いて制御される。加速電圧は３０ｋＶであり、電流は、フィーチャ・サイズによって求められる５０ｐＡから１００ｐＡまで変化する。パターニング用の倍率は、６，５００倍から１０，０００倍である。透過スペクトルは、倒立顕微鏡（Ｎｉｋｏｎ  ＴＥ３００、Ｎｉｋｏｎ）を用いて測定され、すべての光学画像は、顕微鏡の前方部分に取り付けられているカメラ（Ｎｉｋｏｎ  Ｄ３０００、Ｎｉｋｏｎ）を用いて撮影される。
【００８４】
図１２Ａは、白色光によって照射された７つの四角のプラズモン・カラー・フィルタの、光学式顕微鏡法による画像を示す。フィルタは、ＭｇＦ２の基板の上に蒸着したＡｌ／ＺｎＳｅ／Ａｌ積層への集束イオン・ビームのミリングを用いて作られている。このカラー・フィルタは、紫から赤の色に対応する、２００ｎｍから３６０ｎｍまで変化する積層の間隔を有する。すべてのフィルタは、約１０μｍ×１０μｍである同じ面積の寸法を有する。図１２Ｂには、測定されたＲＧＢフィルタの透過スペクトルが示されており、図１０Ｄに示されているシミュレーション結果とよく一致している。ＴＭ照射の場合、積層アレイは、これまで報告されたＭＩＭ共振子より数桁高い、共鳴波長付近で５０％を超える絶対透過を有する予想通りのフィルタリング動作を示している。この透過は、ＬＣＤパネルで用いられている、普及している顔料ベースのフィルタに匹敵するが、プラズモン・デバイスの厚さは、顔料ベースのフィルタの厚さより１〜２桁薄い。青色に対する比較的低い透過は、短い波長範囲におけるＺｎＳｅの強い吸収ロスによるものである。通過帯域の半値全幅は、３つすべての色に対して約１００ｎｍである。
【００８５】
しかし、このデバイスは、ワイヤグリッド偏光子のようにＴＥ偏光光を強力に反射する。そのため、図１２Ｂに示されているように、ＴＥ偏光光の透過は抑圧されている。この特徴は、この構造体自体がカラー・フィルタと偏光子の役割を同時に有していることを示しており、このことは、別の偏光子層の必要性をなくすことによってＬＣＤの技術に大きな恩恵を与える。さらにいくつかの実施例では、Ａｌ格子における導電性の性質により、ＬＣＤモジュールで用いられる別の透明な導電酸化物層は必要にならない。
【００８６】
標準的な四角のカラー・フィルタ以外にも、様々なナノ共振子のアレイは、任意色のパターンをマイクロメートル・スケールで作ることができる。実例として、図１２Ｃには、濃紺色の背景に黄色の文字「Ｍ」が示されている。「Ｍ」のロゴのパターンサイズは２０μｍ×１２μｍしかなく、２つの間隔、すなわち、黄色の文字Ｍに対する３１０ｎｍの間隔と、濃紺色の背景に対する２２０ｎｍの間隔とを用いている。図１２Ｄには、白色光で照射されたパターンの、光学式顕微鏡法による画像が示されている。輪郭のはっきりした黄色の「Ｍ」は、濃紺色の背景と対比して鮮明に目立っている。２つの明瞭な色は、鋭い角と、２つの異なるパターンの境界とにおいても良好に保たれており、それによって、発明性のあるカラー・フィルタ方式が超高解像度のカラー・ディスプレイに適用され得ることが実証されている点に留意することは重要である。
【００８７】
開口部又はスリットの数量は色の効果に関係するため、それらの数量の関係を十分に明らかにするために、開口部又はスリットの数とフィルタリング効果との関係を調べるためのシミュレーションと実験が行なわれている。図１３の挿入画像は、緑及び赤色のフィルタ用に（下部から上部に）２つ、４つ、及び６つのスリットを有するサンプルの顕微鏡画像を示す。緑及び赤色のフィルタ用の隣接するスリットの中央から中央の間の距離は、それぞれ２７０ｎｍと３６０ｎｍであり、スリットの幅は、約８０ｎｍと１００ｎｍである。驚くことに、たった２つのスリットを有する構造でさえ、すでに明瞭な色を呈している。より多くのスリットの場合、緑と赤の色はさらにはっきりと明るくなり、図１３に示されているシミュレーション結果とよく一致する。この興味深い振る舞いは、ＳＰ導波路モードの干渉によって説明することができる。入射光が下部のスリットを通じてＳＰモードに結合している場合、別のスリットから絶縁体層の内側に反対側に伝播するＳＰ波は、導波路の方向に沿って干渉する。透過は、上部のスリットにおける強め合う干渉に対しては増強され、弱め合う干渉に対しては抑圧されることになる。
【００８８】
基本的には、無限数のスリットを有する積層アレイのフィルタリング効果も、それぞれのスリットからのＳＰ波における複数の干渉に起因し得る。数個のスリットを有する構造体と、無限数のスリットを有する構造体との主な違いは、後者が、回折による運動量のマッチングを通じて入射光をＳＰ反対称モードに効率的に結合することができる点であり、それにより効率がはるかに高くなる。上記の分析結果と実験結果は、数個の開口部又はスリットを有する極めて小さい構造体が、所望のカラー・フィルタリング機能を依然として十分に果たせることを示している。
【００８９】
「実例３」
スペクトルと偏光のイメージングのためのプラズモン・ナノ共振子が研究されており、図１４Ａ〜図１４Ｄに示されている。スペクトル・イメージングのためのプラズモン分光器用の設計は、プラズモン・ナノ共振子アレイの間隔を徐々に変えることによって行なわれる。図１４Ａは、（左から右に）間隔を４００ｎｍから２００ｎｍに徐々に変えた状態において作られた、１次元（１Ｄ）のプラズモン分光器における走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）による画像である。スケール・バーは２１μｍ。図１４Ｂは、白色光で照射されたプラズモン分光器における光学式顕微鏡法による画像である。図１４Ｃは、作られた２次元（２Ｄ）のスポーク構造体におけるＳＥＭ画像である。図１４Ｄは、非偏光光（中央）及び偏光光（４つのボックス）で照射されたスポーク構造体における光学式顕微鏡法による画像である。
【００９０】
図１４Ａは、可視範囲におけるすべての色をカバーする２００ｎｍから４００ｎｍまでの徐々に変化する間隔を含んで作られた製造後のデバイスである。白色光で照射されると、積層アレイから光が放たれ、この構造体は図１４Ｂに示されているように虹縞となる。プラズモン分光器は、従来のプリズムベースのデバイスの分光より数桁小さい、ほんの数マイクロメートルの距離ですべての可視スペクトルを分光することができる。この特徴は、これらの構造体によって形成されたカラー・ピクセルが、マルチバンド・スペクトルのイメージング・システムにおける用途に対して極めて高い空間解像度を提供することを示している。発明性のある積層薄膜構造体は、高解像度のスペクトル・イメージングを実現するか、又は、チップベースの超小型分光計を作るためにフォーカル・プレーン・アレイの上部に直接組み込むことができる。
【００９１】
上記で説明されたすべての構造体は、１次元の直線的なスリット（すなわち、同じ方向におけるスリット）だけを有する。ここでは、スペクトルと偏光のイメージングの応答をさらに調べるために、異なる向きのスリットと、徐々に変化するスリット間隔とを有する２次元（２Ｄ）におけるマイクロスケールのスポーク構造体（図１４Ｃ）が設計されている。図１４Ｃに示されているスポーク構造体は、円形のリングを形成している９６個のスリットを含む。それぞれのスリットは、長さが３μｍ、幅が５０ｎｍであり、リングの内側の半径と外側の半径は、約３μｍと約６μｍである。隣接するスリットの間隔は、中心の２００ｎｍからリングの外側のエッジに向かって４００ｎｍまで変化し、上記の直線的な分光器のように可視範囲におけるすべての色をカバーしている。図１４Ｄは、異なる偏光を用いた、スポークにおける偏光の応答を示す。このスポークが非偏光の白色光で照射されると、透過した光は完全な虹のリングを形成する。しかし、照射が偏光した光でありこの偏光が回転する場合には、偏光の方向に沿ってクリアな暗領域が現れる。これは、偏光の方向に励起されたＳＰが存在しないためであり、そのため透過は極端に低くなるが、このことは、先に説明されたＴＭ結合のしくみと一致している。したがって、この２次元スポーク構造体は、イメージング・デバイスと共に用いられる場合には、スペクトル・イメージングにおけるリアルタイムの偏光情報の能力を提供し、或いは、マイクロスケールの偏光分析器として用いることができる。
【００９２】
人間の眼は、一般に３５ｍｍにおいて約８０μｍの解像限界を有する。したがって、本教示に従って構築されるプラズモン・ナノ共振子は、横方向の寸法でほんの数マイクロメートルである、人間の眼によって検出可能な解像限界よりはるかに小さい有色の「スーパーピクセル」を作ることができる。現在のところ、この横方向の寸法も、現在得られる最高解像度のカラー・フィルタより１〜２桁小さい。さらに、これらのプラズモン・デバイスは、顔料のものより１〜２桁薄い縦方向の厚さを有しており、極薄のパネル・ディスプレイ・デバイスの設計にとっては非常に魅力的である。
【００９３】
寸法の小ささの他に、プラズモン共振子における偏光依存の性質も魅力的である。この特徴は、別の偏光子層の必要性をなくすことによってＬＣＤの用途に恩恵を与えるだけでなく、スペクトル・イメージングにおいて偏光情報を取り出すために用いることもできる。
【００９４】
したがって、本教示における様々な態様によれば、光をスペクトル的に高効率で分光するプラズモン・ナノ共振子が提供される。異なる共振子を配置することによって、マイクロメートル・スケールにおける任意色のパターンを実現することができる。これらの人工的構造体は、ディスプレイへの機会と、より高い空間解像度を有し、現在入手できるものよりはるかに小さいデバイス・サイズを有するイメージング・デバイスとを提供する。設計原理は、マルチスペクトルのイメージングに向けた他の周波数範囲に容易に拡張され得る。
【００９５】
本教示におけるいくつかの態様による上記のＭＩＭ格子構造体は、集束イオン・ビームを用いて作られる。しかし、大規模生産の場合には、これらの構造体を広い範囲にわたって作るためにナノインプリント・リソグラフィが考えられる。このためには、当業者によって理解されるように、このような製造プロセスに対してより適合した代替構造の設計が同様に考えられる。
【００９６】
図１５Ａ〜図１５Ｃでは、ガラス基板の上に蒸着している誘電体の上部における単一パターンのＡｌ層を有する、ハイブリッドのプラズモン／導波路構造体が提供されている。このロバストで製造が簡単な構造体は、Ａｌ格子の間隔、ライン幅、及び厚さ、又は、連続的な誘電体層を変えることによって、所望の用途に応じて様々なスペクトルを生み出すことができる。図１５Ａ〜図１５Ｃは、厚いＡｌ、高い率の誘電体、偏光する構造（図１５Ａ）、及び、薄いＡｌ、低い率の誘電体、高い透過の構造体（図１５Ｂ）に対するＴＭ透過のシミュレーション結果である。図１５Ｃは構造体の図である。
【００９７】
図１５Ａ〜図１５Ｂでは、異なる用途に対して２つの組のシミュレーション結果が与えられている。厚いＡｌ格子と高い率の誘電体（図１５Ａ）を特徴とする第１の構造体は、横方向の磁気（ＴＭ）の偏光光がピークにおいて５０％の効率で透過し、横方向の電気（ＴＥ）の光がほぼ完全に抑圧（＜＜１％）されることになる、液晶ディスプレイなどの偏光の用途を目的としている。薄いＡｌ格子と低い率の誘電体（図１５Ｂ）を有する第２の構造体は、ピーク波長において約９０％に近い高い透過率と共に、狭いスペクトルピークを示す。
【００９８】
図１６Ａは、金属格子（Ａｌ）と、高い率のガイド層又は誘電体層（Ｓｉ３Ｎ４）との間に低い率のスペーサ層（ＳｉＯ２）を含む代替のフィルタ構造体の図である。金属格子と導波路層との間に低い屈折率の層を加えることによって、所望のスペクトルを得るためのさらなる制御パラメータが提供される。図１６Ｂは、２つの異なる金属格子間隔で、このような構造体に対して得られた実験によるＴＭ透過の結果である。図１６Ｂは、それぞれ２８０ｎｍと４２０ｎｍである、２つの異なる間隔を有する構造体を用いた青と赤のカラー・フィルタにおける最初の実験結果の一部を示す。この構造体は、ナノインプリントベースの技術によって作られている。反射型のカラー・フィルタも同様に作ることができる。
【００９９】
様々な態様において、プラズモン光学スペクトル・フィルタリング・デバイスを製造する方法。このような方法は、ＵＶフォトリソグラフィ、ナノインプリント・リソグラフィ、集束イオン・ビームのプロセッシング、スタンピング、又は金属転写プリンティングから選択されるプロセスによって、導電性金属ナノ格子サブ波長構造体と、誘電体材料又は光活性材料から選択される活性材料とを含む共振子構造体を形成することを含む。このようにして、光学共鳴によって、所定範囲の波長を有するフィルタされた出力を生成するために、電磁スペクトルの一部を透過させることのできる少なくとも２つの開口部を含む導電性金属ナノ格子サブ波長構造体が形成される。
【０１００】
一般に、コンタクト・プリンティングは、あらかじめパターンが作られた型に堆積した材料を、均一な圧力と温度の印加によって基板に直接転写することを含む。このプロセスは、電極として働く金属層、又は、以降のエッチングステップのためのマスクを転写するために従来から用いられている。本開示における金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）構造などの複数の層を有するデバイスは、同様のプロセッシング技術を用いて転写することができる。薄膜の反射型カラー・フィルタを作るために、ＭＩＭパターンは、ＳｉＯ２の格子の型を用いてフレキシブルなポリカーボネートの基板に転写される。この方法は、ロール・ツー・ロールのナノインプリント・リソグラフィと共に用いられてもよく、ディスプレイの用途に向けて様々な基板の上に広範囲の構造体を効率的に作るために用いることができる。
【０１０１】
近年では、ナノサイズのフィーチャを作るための低コストのプロセスとして、ナノインプリント・リソグラフィ（ＮＩＬ）などのコンタクトパターニングの方法がますます使われている。ＮＩＬ自体は、広い範囲にわたるナノスケールのフィーチャを効率的に作るために何年もの間使われているが、科学者は、正確なエッチングプロセスを必要としない、様々な基板に対する大規模で直接的なナノ構造体の転写のための方法を研究し続けた。ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などのエラストマーのスタンプを利用するマイクロコンタクト・プリンティング又は「ソフトリソグラフィ」は、金属から生体分子にわたる様々な基板材料へのウェットエッチングのためのマスクとして効果的に作用することができる、自己組織化単一層のパターンを転写するために用いられている。金属転写プロセッシングは、パターンの作られたモールドの上に堆積した金属膜が、型に対向している基板への化学結合、又は、高い表面粘着によって基板に直接転写されることを含む比較的最近の方法である。この技術は、様々な用途に向けて主にはエッチングのマスクを作るために用いられているが、有機発光ダイオード及び高分子太陽電池用の透明な金属の電極も研究されている。
【０１０２】
金属転写プリンティングは、単一の層に限定される必要はない。金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）構造体などの多層デバイスが、従来の単一層の手順で利用される、同じ低圧と低温のプロセッシングを用いて基板に転写されてもよい。このプロセスは、様々な種類の材料と共に利用することができるため、これらの構造体は、メタマテリアル、プラズモン・デバイス、及び、薄膜のカラー・フィルタ構造体などの用途に用いられてもよい。このプロセスは、上記のＭＩＭ構造体を作るために用いられる他の方法に勝る利点を有するが、これは、このプロセスが、中間のポリマー層を有する硬質材料だけでなく、フレキシブルな基板上のデバイスも効率的に作ることができ、また、ロール・ツー・ロールのＮＩＬを利用することによって広範囲のデバイスを作るために用いることができるためである。
【０１０３】
（誘電体材料又は光活性材料などの）薄膜活性材料層、又は格子化金属構造体を形成することを含む、多層光学デバイス構造体を形成するための好適な方法は、「ＭＡＴＥＲＩＡＬ  ＣＯＭＰＯＳＩＴＩＯＮ  ＦＯＲ  ＮＡＮＯ−  ＡＮＤ  ＭＩＣＲＯ−ＬＩＴＨＯＧＲＡＰＨＹ」という名称のＦｕらに付与された米国特許第７，６４８，７６７号、「ＵＶ  ＣＵＲＡＢＬＥ  ＳＩＬＳＥＳＱＵＩＯＸＡＮＥ  ＲＥＳＩＮＳ  ＦＯＲ  ＮＡＮＯＩＭＰＲＩＮＴ  ＬＩＴＨＯＧＲＡＰＨＹ」という名称のＦｕらの米国特許公開第２００９／０２５６２８７号（出願番号第１２／４２１，３３３号、２００９年９年４月９日に出願）、２０１１年３月９日に出願された「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｏｆ  Ｍａｋｉｎｇ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ｃｅｌｌｓ  Ｈａｖｉｎｇ  ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ」という名称のＰａｒｋらの国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／２７７４８号、及び、「Ｒｏｌｌ  Ｔｏ  Ｒｏｌｌ  Ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ」という名称のＧｕｏらの米国特許公開第２００９／００４６３６２号（出願番号第１２／１００，３６３号、２００８年４月９日に出願）に記載されており、これらのうちのそれぞれの関連部分は、それぞれの全体における参照によって本明細書に組み込まれている。
【０１０４】
ＭＩＭ構造体は、特定周波数の光をフィルタで通すためのプラズモン共振子として働くことが実験的に実証されている。集束イオン・ビームの加工を用いて、特定の周波数帯の透過を可能とし、他すべての周波数帯が効果的に阻止されるプラズモン透過型カラー・フィルタが作られ、それによって、薄膜カラー・フィルタリングに関するこれまでの報告より鋭い共鳴と高い透過強度とを有する赤、緑、及び青の色が効果的に作られる。このようなフィルタは、上部の金属格子が、横方向の磁気（ＴＭ）の偏光（磁場は格子ラインに平行）を有する特定の周波数における光をプラズモン導波路構造体に結合させ、下部の金属格子が、その光を遠距離場の外に効率的に結合するＭＩＭ構造を利用している。
【０１０５】
反射型カラー・フィルタ構造体は、カラー画像を作るために自然光を使う電子リーダ及びポータブルディスプレイなどのディスプレイ用途に向けた同様の原理に基づいて提供される。この目的を踏まえ、図１７Ａには、ＭＩＭ格子構造体に関する代替の実施例が示されている。この構造体は、底部の格子がない状態で特定周波数の光において結合させるが、その光は効果的にトラップされ、膜によって吸収されるが、他のすべての周波数における光は反射させる。シアン、マゼンタ、及び黄の色（ＣＭＹ）のスペクトルは、この原理を用いて、格子間隔を単に変更することによって容易に作られる。図１７Ｂには、ＴＭ偏光光に対する、厳密結合波解析に基づいてシミュレーションされた反射スペクトルが示されているが、横方向の電気（ＴＥ）の偏光波は、すべての波長においてほぼ完全に反射することが予想される。
【０１０６】
「実例４」
これらの特定の実験は、深い構造を作ることの容易さのために硬質のＳｉＯ２の型を用いて行なわれるが、この技術は、当然ながらＰＤＭＳなどの軟質の型と共に用いられてもよい。図１８Ａ〜図１８Ｄには、フレキシブルな基板への転写のすべてのプロセスがまとめられている。まず初めに、ほぼ１×１平方インチのＳｉＯ２の型が従来のＮＩＬを用いて作られ、フッ素性の表面活性剤で前処理される。次に、それに続く蒸着とスパッタリングのステップによって、型の上にすべてのＭＩＭ積層が堆積される。最初に、５ｎｍのＡｕの層が電子ビーム蒸着によって堆積され、次いで３０ｎｍのＡｌ層が蒸着されるが、これは、転写を容易にすることができる、ＳｉＯ２の型に対する弱い付着（ｗｅａｋｅｒ  ａｄｈｅｓｉｏｎ）をＡｕが有するためである。これらのステップに続き、４０ｎｍのＴｉＯ２層が電子ビーム蒸着によってさらに堆積される。最後に、１００ｎｍのＡｌ層が、型の上部にわたってスパッタリングされる。スパッタリングは、より連続的なＡｌ膜の堆積を可能とするために選ばれている。蒸着した構造体どうしの間のいくらかの浸透（ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）が依然として起こりうるが、蒸着が進行するにつれて、より連続的なＡｌ層を可能とするようにライン幅は徐々に成長した（図１９Ａ〜図１９Ｂにおける底部層）。図１８Ｂは、堆積プロセス後の図を示す。次に、この型は、フレキシブルなポリカーボネート（ＰＣ）の基板と接触して配置され、効率的な転写のために０．３４ＭＰａ（５０ｐｓｉ）と１６０℃の均一な圧力と温度が５分間加えられる。このステップにはＮａｎｏｎｅｘ  ＮＸ２０００のインプリンタが用いられる。冷却後、図１９Ａ〜図１９Ｂに示されている最終的な構造体を実現するために、図１８ＣのＰＣ基板が型から剥がされる。蒸着とスパッタリング中に側壁に堆積したいくらかの粒子がこのプロセス中に転写されたままとなり得るが、後で説明されるように、これはいかなる試験結果にも大きく影響を及ぼさなかったことを図から留意しておくことが重要である。
【０１０７】
反射スペクトルの測定は、ＦｉｌｍｅｔｒｉｃｓのＦ２０システムを用いて行なわれている。角度のある反射の測定は、Ｗｏｏｌｌａｍの可変角度分光エリプソメータ（ＷＶＡＳＥ３２）を用いて行なわれている。反射のシミュレーションは、ＣＯＭＳＯＬ  ＭＵＬＴＩＰＨＹＳＩＣＳを用いて行なわれている。走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の画像は、Ｐｈｉｌｉｐｓ  ＸＬ３０  ＥＥＧ  ＳＥＭを用いて撮られている。
【０１０８】
黄色の光を反射するプラズモン・カラー・フィルタが作られている。最適化された黄色のフィルタを得るためには、相補的な青の波長を強力に閉じ込めて他のすべての光の反射を可能にする薄膜を作るために、大きいデューティサイクル（＞８０％）を有する２２０ｎｍの間隔の型が用いられる。図１９Ａ〜図１９Ｂには、この型からＰＣへの転写後の構造体における上部のＳＥＭ画像と断面図が示されている。シミュレーションされた反射スペクトルは、垂直入射のソース／コレクタ機器（Ｆｉｌｍｅｔｒｉｃｓ  Ｆ２０）を用いてサンプルから取られたスペクトルと比較される。可視スペクトルにわたる材料損失（ｍａｔｅｒｉａｌ  ｌｏｓｓ）と屈折率変化を含めるために新たなシミュレーションが行なわれる。これらのデータは、より正確なシミュレーションモデルを作るためにＡｌとＴｉＯ２の両方の薄膜に対して分光エリプソメトリによって集められる。図２０Ａ及び図２０Ｂには、ＴＥ偏光波とＴＭ偏光波に対する結果がそれぞれ示されている。
【０１０９】
図２０Ａ〜図２０Ｄには、重要な特徴が３つある。第１に、ＴＭ偏光のグラフは、実験データとシミュレーション・データとの間で非常に良好なマッチングを示している。共鳴波長は、予測とほぼ同じであり、構造体の間隔を変えることによって容易に変更することができる。結果における帯域幅は、粒子とライン幅のばらつきから考えられる影響のためにシミュレーションより大きいが、これは、より良好な堆積条件と、ＳｉＯ２の型の改善とによって調節することができると思われる。第２は、示されている結合の度合いの強さであるが、これは、他の波長の値がほぼ７０％にのぼっている一方で、共鳴はほぼ０％の反射を有しているためであり、それによって波長間で高い色コントラストが得られる。第３の特徴は、ＴＭと同様の波長のＴＥ偏光波における、構造体の明らかに強い結合である。十分に理解されてはいないが、いくつかのシミュレーション結果に基づき、誘電体層、及び、上部のＡｌ層の厚さにおけるばらつきが、ＴＥスペクトルに対する強い影響を有し得ると考えられる。
【０１１０】
ここでも同様に、測定されたスペクトルは、より広い帯域幅を有しており、その正確な性質を求めるためにさらなる研究が行なわれるであろう。他方で、偏光の影響を受けないことは、実用的なカラー・フィルタの用途では極めて望ましい特徴となり得る。さらに、この全く偏光依存のないことは、この構造体の能力の強い視覚表現をもたらす。図２０Ｃは、サンプルの背面から見られた、スパッタリングされたＡｌからの灰色がかった色（図２０Ｃの挿入画像）と比べた、明瞭な黄色を有する非偏光光におけるサンプルの正面側の写真を示す。
【０１１１】
特に実用的な用途に向けた、構造体の別の有用な特徴は、サンプルの反射スペクトルの、ソースとコレクタの間の視野角への依存の低さである。図２１Ａ〜図２１Ｃは、分光エリプソメータを用いて、ソースと検出器との間の、２０°、３０°、及び５０°の角度でとられたＴＥ、ＴＭ、及び非偏光の光に対する反射スペクトルを示す。データは、エリプソメータのデータとＷＶＡＳＥのソフトウェアとを用いて角度の変動のために加えられた補正値に対する参照として、Ａｌミラーを用いて集められている。ＴＥ／ＴＭのスペクトルにはいくらかの強度のばらつきがあるが、共鳴波長は大きくはシフトしておらず、非偏光のデータは、測定値全体を通じて共鳴又は強度に大きな変化は示していない。これは、比較的急な角度で撮られても、サンプルの黄色の反射色を依然として示している図２０Ｄの写真にも見られる。この構造体は、様々な角度において、反射型の技術に利用されることに十分に適合していると考えられ、角度依存が最少であることを実証している。
【０１１２】
金属転写リソグラフィは、様々な基板の上に金属パターンを作るための大規模で安価な方法を提供することができる。このような金属転写技術は、１×１平方インチを超える均一なＭＩＭ構造体における転写の成功を実証することによって、様々な組み合わせの材料を使って機能性デバイス及び多層構造体を作製するように展開され得る。黄色の反射型カラー・フィルタは、単に複数の材料層をパターンの作られた型に蒸着して、フレキシブルなＰＣの基板の上に転写することによって、明瞭な吸収帯域幅と、角度依存の低さとを有する状態で製造される。このようなプロセスは、ワーキング・ディスプレイ用にシアンとマゼンタの色を作る格子などの、他の間隔の格子に対して適用することもできる。考えられる他の製造技術には、従来のＮＩＬ、又は、例えば動的ナノ記述（ｄｙｎａｍｉｃ  ｎａｎｏ−ｉｎｓｃｒｉｂｉｎｇ）である新たに開発された方法などのトップダウン・プロセスが含まれる。これらの構造体は、広範な反射型ディスプレイの用途に向けて広い範囲にわたって容易に製造することができ、またＭＩＭ構造体における転写の成功によって、様々な他の多層構造体における迅速で安価な製造が提供され得る。
【０１１３】
いくつかの実施例では、導電性金属格子構造体と、誘電体材料又は光活性材料から選択される活性材料とを含む、光学共鳴を介したカラー・フィルタリングのためのプラズモン共振子構造体を含む、ディスプレイ・スクリーンのディスプレイ・ピクセルを含むディスプレイ・デバイスが提供される。導電性金属格子構造体は、所望範囲の波長を有する、フィルタされ偏光された出力を生成するために、ディスプレイ・デバイスによって生成された電磁スペクトルの一部を透過させることができる少なくとも２つの開口部を含む。
【０１１４】
図２２〜図２４に示されているいくつかの実施例では、ディスプレイ・デバイス５００は、液晶ディスプレイ・パネルである。液晶ディスプレイは、説明目的のための例示的デバイスとして用いられているが、発明性のあるフィルタリング・デバイスは、（例えば、非限定の実例として、デジタルミラー技術、又はＬＣｏＳ（ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）、ヘッドマウントディスプレイ、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）のイメージセンサ、赤外線撮像装置、発光ダイオードなどを用いる）プロジェクション・ディスプレイを含む、当業者によって認識される様々なディスプレイ・デバイスに組み込むために設計されてもよい。
【０１１５】
図２３の場合には、ＬＣＤディスプレイの要素が図１の要素と同様の従来の設計と共通して共用される程度まで、同じ参照番号が用いられている。ディスプレイ・ピクセル５０１は、フロント偏光子３２と、第１の透明導電体電極５０と、印加された電圧に応じて、所定範囲の波長の偏光した電磁波を通過させることができる複数の液晶６４とを含む。プラズモン共振子構造体５５０は、第１の透明電極５１４として複数の液晶６４の反対側に配置されており、導電性金属格子構造体５２４は、第２の透明導電電極として働き、（別の偏光子シートと組み合わせられていてもよい）プラズモン共振子構造体５５０は、リア偏光子として働く。
【０１１６】
第１の透明基板２４（例えば、ガラス基板）は、処理される光を受ける下側底部面に沿っており、一方、フロント偏光子３２は、上側上部面に沿って第２の透明基板３４に隣接している。底部側では、透明な下側の導体４０（又は、電極）が、（電流の印加時に液晶の所定の向きを誘発する表面組織を有する）下側の配向層４２に隣接して配置されている。図示されていないが、図１と同様に、外部電気接点は、プラズモン共振子構造体５５０における１つ又は複数の金属性素子を第１の透明電極５０に接続することができる。
【０１１７】
液晶コンパートメント（６０）は、共振子構造体５５０と、（電位が印加されたときに液晶に向きを与えるように働く）上側の配向層５２とに接触して１つ又は複数の封止部（図示せず）によって形成されている。この液晶コンパートメントは、複数の液晶６４を含む。また、液晶コンパートメント６０の中には２つのスペーサ６６が配置されている。上側の透明な導電体（又は電極）５０は、上側の配向層５２に隣接している。いくつかの変形例では、共振子構造体５５０は、上側の配向層とほぼ同様に、液晶の所定の向きを誘発する組織をもつ表面５１０を有する（又は、共振子構造体５５０は、図示されていない任意選択の配向層を表面５１０としてさらに含む）。液晶コンパートメント６０に面している上側の配向層４２、及び、下側の配向層／共振子構造体面５１０は、液晶を介する光の透過と回転を可能とするように電圧又は電位が印加されたときに液晶６４の好ましい向きを誘発する相補的な表面組織を有する。
【０１１８】
このように、上側と下側の導体５０、５５０に電位が印加されると、液晶６４が配向し、その結果、（ディスプレイ・デバイスの中で生成された）白色光が、共振子構造体５５０を通過して液晶６４に入り、次にフロント偏光子３２の外に透過することが可能にされ、それによってフィルタされた有色光が提供される。導体／電極５０、５５０に電位が印加されてない場合には、液晶６４はランダムな方向に向いており、入射光は液晶コンパートメントを通過しない。図２２に示されているように、パネル・ディスプレイ５００のＬＣＤピクセル（例えば、５０１）は、例えば、選択的アクティベーションの際に赤−緑−青の「ＲＧＢ」カラーの１つを提供するように調整され得る３つの隣接する赤、緑、青のフィルタを含む、複数のカラー・フィルタ・アセンブリのアレイをしばしば有する。特に、ＬＣＤピクセル５０１の設計時には、従来のカラー・フィルタ及びブラックマトリックス、並びにリア偏光子は、すべてなくすことができる。
【０１１９】
光活性材料は、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）を含む有機電子ドナー材料と、［６，６］−フェニルＣ６１酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）を含む有機電子アクセプタ材料とを任意選択で含む。プラズモン共振子構造体５５０は、第２の導電性金属電極素子５３２をさらに含み、フィルタされ偏光された出力だけでなく光電流を生成することができる有機光起電力デバイスとして働く。いくつかの変形例では、有機光起電力デバイスは、ディスプレイ・スクリーンの少なくとも一部を通して受けた光エネルギーを変換することができる。ディスプレイ・スクリーンは、有機光起電力デバイスと一体化されている。さらに、いくつかの実施例では、このようなディスプレイ・スクリーンは、タッチ・スクリーンとして機能することができる。
【０１２０】
例示的な一実施例では、所望の反射カラーを生成すると同時に、電気を生み出すために吸収光５６０を変換することができる、多層二元機能の光起電力−カラー・フィルタ・デバイスである（プラズモン共振子構造体５５０を有するピクセルの一部を示す）図２４には、詳細な面のプロフィールが示されている。より具体的には、ピクセルの反射スペクトルは、デバイスによって作られる（図２２参照）。反射型のカラー・フィルタは、カラーの塗料と同様に作用し、例えば、特定の波長に対応する光を吸収するが他の光を反射するため、この実施例では、シアン、マゼンタ、及び黄色が三原色であるＣＭＹカラー方式が採用される。透明基板５０２は、二酸化ケイ素（例えば、シリカ）などのガラスを含むことができる。酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を含む第１の導電性透明電極５０４は、積層構成物において基板５０２の近くに配置され、図２４に示されているように、第１の電極５０４からの電荷移動を増強するための任意選択のバッファ層５０６の一部の中に配置される。第１の電極５０４はアノードでもよく、ＩＴＯ又は他の透明導電材料を含むことができる。バッファ層５０６は、炭酸セシウム（Ｃｓ２ＣＯ３）を含むことができる。多層構造体５５０は、１つ又は複数の光活性有機半導体材料５０８を含むことができる。この半導体層５０８は、酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）などの第２のバッファ層５１０に任意選択で隣接している。光活性の半導体材料層５０８は、ミックスされたＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭの混合層を形成するために、［６，６］−フェニルＣ６１酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）などの有機電子アクセプタと組み合わされた、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）などの有機電子ドナー等の材料を含む。本開示はいかなる特定の有機材料系にも限定されないが、例示の目的では、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）：［６，６］−フェニルＣ６１酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）の共役ポリマー系は、例示的なモデル系として用いられるバルクヘテロ接合（ＢＨＪ）のＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭブレンドを示す。
【０１２１】
第２の電極５１２は、光活性材料層５０８の面に沿って第２のバッファ層５１０の上に配置されている。第２の電極５１２は、透明なカソードでもよく、アルミニウム、金、銀、銅、又は他の導電材料を含むことができる。アルミニウム（カソード）を含む第２の電極５１２は、活性の有機半導体層（バッファ層５０６、５１０及び光活性材料層５０８）をサンドイッチ状に挟む連続的な膜の形態でもよい。いくつかの変形例では、第１の電極５０４又は第２の電極５１２はナノ格子でもよいが、図２４では、第２の電極５１２だけがナノ格子である。導電金属構造体は、液晶ディスプレイにおいて複数の液晶の向きを調整するための電極として働くことができる。フィルタされた出力５７０は、図２２〜図２３におけるＬＣＤディスプレイのピクセルにおけるカラー・フィルタと偏光子の両方として働くことができるプラズモン共振子構造体５５０から、所定範囲の波長で発生する。
【０１２２】
実施例における上記の記載は、例示と説明の目的で行なわれている。上記の記載は、網羅的であるようには考えられておらず、また、本開示を限定するようには考えられていない。全体的に、特定の実施例における個々の要素又は特徴は、その特定の実施例に限定されないが、該当する場合には交換可能であり、具体的に示されていないか、又は説明されていない場合でも、選ばれた実施例において用いることができる。また、同じものが多くの方法で変わり得る。このような変形例は、本開示からの逸脱とみなすべきでなく、このようなすべての変形が、本開示の範囲に含まれるものとする。
【図２】
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【図３】
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【図１１】
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【図１７Ａ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２２】
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【図１】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ−Ｉ】
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【図７Ａ−Ｄ】
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【図８Ａ−Ｆ】
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【図９】
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【図１０Ａ−Ｄ】
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【図１２Ａ−Ｄ】
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【図１３】
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【図１４Ａ−Ｄ】
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【図１５Ａ−Ｃ】
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【図１６Ａ−Ｂ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ−Ｄ】
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【図２０Ａ−Ｄ】
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【図２１Ａ−Ｃ】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２５Ｃ】
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【図２５Ｄ】
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【国際調査報告】
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