利用电子束的颜色打印

今天分享的文章是来自新加坡A*STAR材料研究工程所（IMRE）的Joel K. W. Yang课题组近期发表在Nano Letters上的论文，标题为利用电子束的彩色打印。

这篇文章的主体思路是：通过电子束对PMMA的辐照，可以形成不同厚度的Fabry-Perot腔体，从而产生丰富的颜色。这种方法相对于激光直写（direct laser writing），不仅在分辨率上大幅度提升（电子束精度），而且不需要预布图（pre-pattern）基底。

作者使用的结构为Al/PMMA/Ni：其中Al作为底反射镜，厚度为60纳米；Ni作为部分反射镜/吸收层，厚度为6纳米。整个腔体受电子束曝光，其中的PMMA受电子束辐照发生化学反应，大部分产物为气态或以挥发的形式通过薄薄的Ni层上的纳米孔洞溢出腔体，从而造成PMMA厚度的衰减。控制聚焦电子束的辐照度（dose），PMMA层的厚度可以精确控制，因此可用于制造各式各样的彩色图片和logo。这种方法得到的PMMA膜厚度均匀，即使将像素点（pixel）的尺寸缩小到50纳米，颜色依然保持不变。作者指出，该研究结果除了可用于结构色彩，还能通过薄膜形成的Fabry-Perot腔体的颜色反推纳米结构的厚度，起到类似AFM的功能。

该电子束曝光印刷手段还可以用于加工精密的光学纳米结构，产生类似于灰度曝光（gradient lithography）的功效，但却能够生成更为平整光滑的表面。作者利用该方法，通过调控强度成功制备了闪耀光栅（blazed grating），简化了制备工艺，同时又具有较好的几何外形。

在文章的第二部分，作者指出电子束曝光存在近邻效应（proximity effect），即在曝光斑周边地区同样受到了电子束辐照的影响，产生了厚度的变化。作者从电子束辐照过程出发，假设正向和背向散射的电子的曝光范围分布均为高斯函数，构造点曝光函数（Point Exposure Function）理论模型。作者将理论模型和实验结果互相对照，并进行数值拟合，从而得到该模型的相关参数。

拟合模型的参数结果显示，对于一个直径为5微米的盘状结构，15 mC/cm2的曝光会呈现出较强的近邻效应：其曝光覆盖范围将超过结构边缘10微米。在理论模拟中考虑近邻效应的影响，可以极好地重现实验反射光谱特征。在结构颜色设计中，将上述近邻效应的参数带入数值模拟，可以解决此前图像色彩中预测颜色和器件颜色的偏差，实现了理论预测和实验结果的统一。

标题：Direct Color Printing with anElectron Beam

作者：Soroosh Daqiqeh Rezaei, JinfaHo, Tao Wang, Seeram Ramakrishna, and Joel K. W. Yang

杂志：Nano Letters

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.0c01191