彩色滤光片是指有选择性地反射、透射或吸收某个波长或波段的可见光而呈现特定颜色的光学滤光片[1,2,3,4,5,6,7,8,9]。人类最早通过天然染料或颜料来制备颜色[10,11,12,13,14,15],而且到目前为止，基于这些材料所制备的颜色在人类的生产和生活中仍然具有重要的作用。但是，基于这些染料或颜料所制备的颜色很难满足包括纯度、亮度和分辨率等在内的光学特性在特殊场合的应用需求。另外，基于这些材料所制备的颜色容易受到湿度、温度以及紫外线照射等外界环境因素的影响，寿命较短。因此需要采用新的结构或材料以获得光学特性较好的颜色。

与传统化学颜料滤光片相比，近年来研发的结构色滤光片所呈现的颜色不仅饱和度高、亮度大而且不易褪色，更重要的是不会对环境造成污染，因此在光学显示、彩色印刷、美学装饰以及光伏等领域[16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33]有着重要的应用价值。例如，随着微纳加工技术的不断发展与进步，研究人员相继研发出基于不同超构表面和物理共振机制的结构色，包括基于一维(1D)和二维(2D)光栅导模共振(guided mode resonance, GMR)效应产生的结构色[34,35,36,37,38,39,40,41,42]、基于金属等离子体激元共振(surface plasmon resonance, SPR)效应产生的结构色[23,43,44,45,46,47,48,49,50,51]以及基于介质米氏共振(mie resonance)效应产生的结构色[17,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62]等。但是，上述结构色滤光片往往涉及复杂的几何图案或昂贵的制备工艺，不适合批量生产。相比之下，基于简单的1D多层膜结构[63,64,65,66,67,68,69,70,71,72,73,74,75,76,77]产生各种颜色为大规模生产提供了一种切实可行的方案。

本文将总结1D多层膜结构色滤光片在近年来的研究进展，其内容主要包括：基于两种典型结构(FP(Fabry Pérot)腔和1D光子晶体)产生各种颜色的共振机理；基于磁控溅射、电子束蒸发以及电化学沉积等加工工艺制备结构色滤光片的方法；多层膜结构色滤光片在彩色太阳能电池、彩色印刷以及智能窗等领域的应用现状。文章最后对多层膜结构色滤光片的未来发展趋势进行展望。

多层膜结构色滤光片是基于薄膜干涉效应实现的各种颜色，其典型的结构包括由高低折射率介质膜堆构成的1D光子晶体模型和由金属-介质-金属构成的FP谐振腔。这里首先利用菲涅尔原理结合折射定律分析入射光在FP腔结构中的传输特性以及产生透射峰、反射峰或吸收峰的物理机制。由于共振波长的角度依赖性会限制结构色滤光片在光学显示以及光伏太阳能电池等领域的应用，因此需要设计出入射角不敏感的共振峰波长。又由于青(cyan, C)、品红(magenta, M)、黄(yellow, Y)颜色的色域范围远远小于红(red, R)、绿(green, G)、蓝(blue, B)颜色，这在很大程度上阻碍了反射型滤光片的各种应用。因此，需要利用平面光学薄膜结构设计反射型滤光片以获得高纯度的RGB颜色。

由顶部金属层、中间介质层以及底部金属层形成的FP腔结构是设计各种颜色最简单的方法之一。该结构色滤光片的制备过程只需要使用成本较低且可扩展性高的镀膜工艺(如电子束蒸镀或磁控溅射),不涉及价格昂贵且复杂的光刻工艺，因此适合大规模生产。基于1D多层膜FP腔结构设计彩色滤光片的物理机制可以大致阐述如下：当入射光照射到结构表面时，光波在上下两个金属-介质界面之间发生多次反射和折射；对于特定波长的入射光，当相邻光束之间的相位差满足一定条件时(δ=2π,δ为相位差),光波会在中间介质层发生干涉，从而产生电磁场增强的现象；由于在共振腔内发生的干涉现象能选择性地反射或透射某一特定波段的入射光，因此可以在反射谱或透射谱中出现一个窄带的峰(谷),从而获得各种颜色。

图1所示为基于FP腔结构设计的反射型和透射型彩色滤光片[70]。在该结构中，顶层和底层的金属薄膜材料均为银(Ag),中间介质层薄膜的材料为无损耗的二氧化硅(SiO2),其结构模型如图1(a)所示。这里，t、d和h分别代表顶层金属Ag、中间介质层SiO2和底层金属Ag的厚度。当t=30 nm, h=100 nm时，通过调节中间介质层的厚度d可以获得不同的颜色。图1(b)所示为对应不同介质层厚度的反射光谱。由于底层金属的厚度比较大，阻止入射光透射出去，因此可以获得亮度比较高的彩色滤光片。为了更好地理解基于这种金属-绝缘体-金属(Metal-Insulator-Metal, MIM)FP腔结构的吸收特性，Li及其合作者分析了共振谷值波长处的入射光在该结构内电场以及吸收功率谱分布，如图1(c)所示。从图中可以看出，谷值波长处的电场主要局限在中间介质层内。另外，由于FP腔效应导致的电场增强效应使得大部分的入射光被顶层金属Ag所吸收。若将底层金属薄膜的厚度降低至30 nm实现部分入射光的透射，可以设计出透射型颜色滤光片。另外，通过调节中间介质层的厚度d也可以实现透射峰位置的改变，实现整个可见光波段的颜色调控。对应不同介质层厚度(d=100 nm、125 nm、150 nm、175 nm、200 nm)的透射光谱如图1(d)所示，其中实线为模拟结果，虚线为实验测试结果。图1(e)和(f)所示分别为实验制备的具有不同介质层厚度的透射型彩虹圈和调色板的光学图片。

为了更好地理解基于FP腔结构产生各种颜色的物理机制，下面将详细分析入射光在FP腔结构中的传输特性。当入射角为θ1的光波从空气层入射到FP腔结构表面时，一部分光反射回空气层(R1),另一部分光折射到结构内部，其折射角大小用θ2表示，如图2所示。进入到FP腔结构内的光波在上下界面处发生多次反射和透射后分别进入上表面(R2)和下表面(T1、T2)空气中。为了简单起见，这里不考虑中间介质材料的吸收以及色散特性，因此可以将中间介质层的折射率和厚度分别用n和d表示。

根据菲涅尔原理可知，入射光经过FP腔后的反射率RFP和透射率TRF分别表示为：

RFP=2R⋅(1−cosδ)1+R2−2RcosδRFΡ=2R⋅(1-cosδ)1+R2-2Rcosδ (1)

TFP=(1−R)21+R2−2RcosδΤFΡ=(1-R)21+R2-2Rcosδ (2)

式中：R代表金属表面的反射率，δ为相邻反射光束R1和R2或透射光束T1和T2之间的相位差。从公式(1)和(2)可以看出，当相位差δ=2mπ(m=0, 1, 2…)时，反射光谱和透射光谱将分别出现最小值和最大值，并将此时所对应的反射和透射共振峰波长标记为λr和λt。因此，基于FP腔结构设计反射型(见图1(a)～(b))和透射型(见图1(d)～(f))颜色滤光片的工作机理可以利用2π相移原理进行解释。

另外，相邻光束之间的相位差主要由介质层内的传输相位组成，因此δ可以表示为：

δ=(2πλ)⋅n⋅2d⋅cosθ2δ=(2πλ)⋅n⋅2d⋅cosθ2 (3)

式中：λ为在空气中的入射光波长。根据空气-介质分界面处的折射定律(sin θ=n sin θ)可以推导出与入射角相关的共振峰波长，即：

λr=2d⋅n2−sin2θ1−−−−−−−−−−√ λr=2d⋅n2-sin2θ1 (4)

因此，与入射角θ1相关的共振峰波长的改变量可以表示为：

∣∣ΔλrΔθ1∣∣=2d⋅sinθ1⋅cosθ1n2−sin2θ1√ |ΔλrΔθ1|=2d⋅sinθ1⋅cosθ1n2-sin2θ1 (5)

从公式(5)可以看出，对于不同的入射角，共振峰波长的改变量与中间介质层薄膜材料的折射率n成反比，与厚度d成正比。这也意味着可以通过选择具有高折射率或厚度较小的介质材料来降低共振波长的角度依赖性。

Yang及其合作者通过选择具有高折射率的介质材料获得了入射角不敏感的彩色滤光片[78],其结构模型如图3(a)所示。该滤光片是由顶层金属Ag、中间介质层SiOx以及底层金属Ag构成的FP腔组成。他们通过控制沉积过程中的氧气流量制备了折射率可控的SiOx薄膜。图3(b)所示为对应不同氧气流量的SiOx薄膜在不同波长处的折射率以及金属Ag薄膜在可见光范围内的消光系数。从图中可以看出，在沉积SiOx薄膜过程中，通过减小氧气流量可以获得折射率比较高的SiOx薄膜。为了获得纯度和亮度比较高的颜色，底层金属Ag的厚度需要设计的比较大以阻止入射光透射到玻璃衬底，从而获得反射率比较高的反射光谱。图3(c)为正入射方式下对应C、M、Y三种颜色反射光谱的模拟和测试结果。从图中可以看出，该多层膜结构色滤光片的模拟反射率与制备样品的实验结果非常吻合。另外，基于高折射率的中间介质层材料，C、M、Y三种颜色反射光谱的共振峰位置在入射角从0° 增大到60° 的过程中没有发生太大变化，如图3(d)～(f)所示。

另一种常被用来降低角度依赖性的介质材料为可见光波段内具有高折射率且无损耗的二氧化钛(TiO2)。例如，Park及其合作者利用TiO2材料在玻璃衬底上设计了一种Ag/TiO2/Ag对称性FP腔结构[79],其结构模型如图3(g)所示。为了进一步减弱透射光谱的角度依赖性，在FP腔的结构表面额外沉积了一层TiO2薄膜。研究结果表明，FP腔结构表面覆盖的TiO2层不仅可以通过相位补偿的方式削弱透射光谱对入射角的敏感性，而且会抑制边带波长处的光学反射从而提高颜色纯度。另外，调节中间介质层的厚度也可以获得对应不同颜色的透射光谱。图3(h)所示为正入射方式下对应R、G、B三种颜色透射光谱的模拟和实验结果，其中TiO2厚度分别为100 nm、75 nm和50 nm。图3(i)所示为所制备的红色滤光片在不同入射角方式下的透射光谱。从图中可以看出，在入射角从0°增大到70°的过程中，滤光片的共振峰位置以及透射强度几乎没有发生改变。说明具有高折射率的TiO2介质材料对降低结构色滤光片的角度依赖性非常有效。

一般来说，具有高折射率(n)的材料往往会具有较大的消光系数(κ)。因此，若想通过选择具有较高折射率n值的材料来进一步优化彩色滤光片的角度敏感性，比如锗(Ge)和硅(Si),必须要考虑由于该介质材料的消光系数所引起的光学损耗。2012年， Capasso教授课题组率先报道了一种具有特殊相位消除机制而且能在高吸收介质腔中激发强光学干涉效应的现象，并利用该现象设计了一种角度不敏感且颜色可调的彩色滤光片[80]。图4(a)所示为该滤光片的结构模型及不同介质材料厚度下的反射光谱。他们通过在具有光学厚度(150 nm)的金(Au)薄膜表面沉积不同厚度(7～25 nm)的Ge 薄膜，实现了在可见光范围内对不同波长入射光的宽带吸收，获得了多种对入射角度具有较低敏感度的颜色，如图4(b)和(c)所示。由于 Ge 薄膜在可见光波段具有很高的吸收效率，入射光照射到该结构表面后会在Ge 薄膜上下界面不断发生反射和折射，同时在Au/Ge 界面不断产生非平凡(non-trivial)的界面相移(非0非π),这些界面相移与传播相移不断累加可使总的相移接近于零，从而产生一个宽带吸收峰。由于Ge薄膜的厚度远小于入射光的波长，故在该结构表面产生的多束平行反射光中累积的传播相移非常微弱，从而导致该结构在不同入射角度下具有稳定的光学响应特性。

紧接着，Lee及其合作者选择了消光系数小于Ge材料的非晶硅(α-Si)材料制备了颜色纯度更高的透射型[81]和反射型光学滤光片[82]。图4(d)所示为基于金属-吸收介质-金属组成的FP 腔结构研发的彩色滤光片，该结构由顶层金属Ag、中间半导体α-Si以及底层金属Ag三层薄膜材料以及玻璃衬底组成。与Ge薄膜材料相比，α-Si薄膜材料的消光系数更小，因此选择α-Si薄膜材料可以在比较薄的FP腔结构内获得Q值更高的透射光谱，如图4(e)所示。另外，通过调节中间α-Si薄膜的厚度可以获得R、G、B三种颜色。当α-Si的厚度取值为28 nm、15 nm和9 nm时分别对应图4(e)所示的红色、绿色和蓝色透射光谱。图4(f)为该结构在红色透射光谱峰值波长处的电场分布。从图中可以看出，由于α-Si材料的高损耗系数，FP腔结构的光场主要集中在α-Si薄膜层中并表现出极高的共振响应。当入射角从0°变化到70°的过程中，透射滤光片的颜色不发生改变，其模拟和测试结果分别如图4(g)和(h)所示。为了进一步研究基于吸收介质材料的角度不敏感特性，Lee及其合作者分析并比较了基于α-Si材料和SiO2材料的滤光片在0°～60°范围内的相移情况(包括α-Si-Ag、SiO2-Ag界面处的反射相移以及α-Si、SiO2薄膜层内的传输相移),结果如图4(i)所示。通过对比基于两种材料的相移曲线发现：在FP腔内使用超薄吸收材料时的传输相移变化比使用透明介质材料时的传输相移变化小得多；另外，当入射角增大时，吸收介质层内的传输相移和介质-金属界面上的反射相移相互补偿。吸收介质层内的上述两种效果可以解释滤光片的角度不敏感特性。

基于FP腔结构的反射型滤光片主要被用来设计C、M、Y三种颜色，然而在颜色空间中，CMY颜色的色域范围远远小于RGB颜色，这在很大程度上阻碍了反射型滤光片的各种应用。因此，近年来一些研究工作致力于利用平面光学薄膜结构来制备反射型滤光片以获得高纯度的RGB颜色[63,76,84,85]。基于材料的吸收特性，Yang及其合作者提出了一种经典且结构简单的介质-吸收体-介质-金属薄膜结构(dielectric-absorber-dielectric-metal, DADM)并获得了高纯度的RGB反射色[83]。为了增强非目标颜色处宽波长范围内的光吸收，从而产生具有高反射率的高饱和度颜色，他们设计了一种由两层超薄吸收薄膜组成的有效吸收双层介电以满足理想吸收层的复合折射率，其结构模型如图5(a)所示。图5(b)所示为RGB颜色滤光片反射光谱的实验(虚线)与模拟(实线)结果，插图展示了制备样品的光学图像。从图中可以看出，对应三种颜色反射光谱的实验测试结果与理论模拟结果非常吻合，且制备样品的纯度和亮度都非常高。为了进一步理解这种多层膜结构中强干涉效应的物理机制，他们计算了该 RGB 滤光片在整个结构内的电场强度分布随波长的变化关系。以蓝色滤光片为例，在波长大于 500 nm 的 Ni/W 双层吸收介质中激发的强电场直接导致了红色和绿色波段的有效光吸收，如图5(c)所示；在波长小于 500 nm的短波长范围内， Ni/W 双层膜中的电场强度非常微弱，保证了蓝光波段的吸收损耗最小。图5(d)展示了蓝色滤光片在不同波长处顶层Ta2O5和中间层Ta2O5谐振腔中的净相移，并以此来揭示反射光谱的共振位置。当净相移(包含上下界面反射产生的两个反射相位以及腔内累积的传播相位)等于2π的整数倍时腔内激发共振模式。从图中上方曲线可以看出，FP腔的共振模式在460 nm处被激发，正好对应蓝色反射光谱的峰值位置；从下方曲线可以看出，在635 nm波长处，顶部Ta2O5的净相移等于0,抗反(anti-reflective, AR)层的共振模式被激发，从而抑制非峰值波长的反射。尽管当入射角从 0°增加到 60°的过程中，谐振波长有轻微的蓝移，但色散曲线相对平坦，且反射光谱的模拟结果与相应的实验结果基本一致，如图5(e)和(f)所示，因此基于超薄双层吸收介电的 RGB 反射型滤光片具有良好的角度不敏感特性。

基于FP腔结构的颜色滤光片由上表面和下表面的金属层以及中间的介质层组成，而金属材料本身的消光系数会降低反射光谱或透射光谱的峰值效率。为了获得光学特性更好的颜色可以选用消光系数小的全介质材料。因此，除了基于金属-介质-金属形成的FP腔结构外，另一种利用多层膜结构设计彩色滤光片的方法是基于多层介质膜系形成的1D光子晶体结构。

图6(a)所示为Lee及其合作者提出的基于α-Si/Si3N4膜系结构实现了高饱和度的红色反射型滤光片[86]。对于该滤光片，1D光子晶体结构的中心波长(λc)被设定为800 nm。为了在这个波长处获得较强的干涉共振峰，每一层薄膜的厚度需要被设定为该波长的四分之一(λc/(4n),n为薄膜材料的折射率)。因此，可以分别得到厚度为100 nm和50 nm的Si3N4薄膜(n=2)和α-Si薄膜(n=4)。当光波入射到α-Si介质薄膜表面时，由于空气与α-Si界面存在较大的折射率差，反射光谱边带波长处(400～600 nm波段)的反射率达33%,如图6(b)中的实线①所示，因此会降低颜色的纯度。为了抑制非共振波长处的反射，他们在α-Si/Si3N4膜系的上下表面分别增加了一层AR薄膜。若要让边带波长处的反射得到较好的抑制，需要选择合适的AR材料。图6(c)所示为在400 nm、500 nm和600 nm处，对于给定厚度(50 nm)的AR层，该滤光片在不同折射率的实部(n)和虚部(κ)下的反射率分布。结果表明，当AR层材料的n、κ系数分别取值为1.98和0.14时，1D光子晶体结构在400～600 nm波段内的反射率被控制在1.3%以下，如图6(b)中的实线②所示。为了验证该AR薄膜材料设计的是否合理，他们比较了基于该结构反射光谱的实验结果与计算结果，如图6(d)中的实线所示。从图中可以看出，反射光谱的计算结果和测试结果几乎一致，其细微的差别可能由薄膜沉积过程中厚度和折射率的误差所引起。另外，基于α-Si材料和 Si3N4材料都具有较高的折射率，该结构色滤光片在TE和 TM 偏振态下均表现出优异的入射角度不敏感特性(±70°),如图6(e)和(f)所示。这是因为，当光波入射到具有高折射率的薄膜表面时，折射角以及相移变化比较小，从而使得光学特性对入射角度不敏感。

考虑到薄膜层数对制造成本的影响，因此需要简化结构设计。图7(a)所示为Ji及其合作者提出的基于5层对称薄膜结构实现了宽角度、偏振不敏感且高纯度的结构色滤光片[65]。30 nm厚的金属铜(Cu)薄膜被两层交替的氧化铝(Al2O3)和α-Si薄膜夹在中间，其中Al2O3和α-Si薄膜的厚度分别为65 nm和95 nm。这里，上下表面的Al2O3薄膜作为AR层来抑制边带反射光谱处的反射率，从而提高颜色的纯度。AR层对边带反射光谱的抑制效果如图7(b)中的实线所示。另外，为了在共振腔内产生高阶共振从而获得Q值更高的反射谱且纯度更高的颜色，α-Si薄膜的厚度需要设计的比较厚。高阶模式下的反射光谱如图7(c)中的实线②所示。正入射方式下反射光谱的计算结果和测试结果非常吻合，如图7(d)中的上方圈出的实线和虚线所示。由于在结构中使用折射率较高的薄膜材料，因此可以获得TE和TM偏振态下都比较好的角度稳定性，分别如图7(e)和(f)所示。

近红外(near-infrared, NIR)透射滤光片由于在近红外光谱、安全成像、光学探测等诸多领域具有不可替代的作用而受到广泛关注。近几年来，装饰性的NIR透射滤光片在提高信噪比的同时能够美化外观，因此受到了越来越多的关注。虽然基于有机颜料或染料的滤光片能够在吸收紫外(UV)和可见光的同时透射NIR光，但是这些有机材料易受环境因素的影响，如湿度、高温和持续的紫外线照射，因此寿命短。而基于超构表面结构的NIR透射滤光片由于需要复杂的制备工艺而限制了其大规模应用。基于此，Ji及其合作者提出了利用7层1D光子晶体薄膜结构设计NIR透射型滤光片[87]。另外，在保持NIR透射性能的同时，通过增加三层光学薄膜产生了不同的装饰反射色。图8(a)所示为装饰性NIR透射滤光片的结构模型，它采用三组“H/2LH/2”单元作为有效AR层以提高透射效率。这里，H和L分别表示四分之一波长厚度的高折射率材料和低折射率材料。利用结构中的半导体α-Si在可见光范围内的吸收特性，实现了在不影响NIR透射性能的情况下产生各种反射色。图8(b)所示为基于该结构制备的黄色NIR透射型滤光片光谱响应的模拟和测试结果，插图为制备样品的光学图片。从总吸收光谱中接近100%的吸收峰可以看出，蓝光的抑制是由于α-Si层的完美吸收，如图8(c)所示。另外，从各α-Si层的吸收光谱可以看出，蓝光的抑制主要归因于第1层和第2层α-Si对入射光的吸收。图8(d)所示为黄色NIR透射型滤光片结构内部的电场分布。从图中可以看出，由于吸收损耗与材料的光电常数成正比，第一层和第二层α-Si内的电场(#1、#2黑色实线)对应于500 nm左右的强吸收。另外，从底层的传播模式可以看出，顶层Si3N4内部在波长大于700 nm处的强AR共振(#B黑色虚线)有效地诱导了近红外透射。图8(e)和(f)分别为黄色NIR透射滤光片与入射角相关的反射光谱的模拟与测试结果。从图中可以看出，该结构表现出了角度不敏感特性，这是因为在该结构中使用了具有高折射率的α-Si和Si3N4薄膜。

溅射沉积是指在真空室中，利用荷能粒子轰击靶材表面，通过粒子动量传递打出靶材中的原子及其他粒子，并使其沉淀在衬底上形成薄膜的技术。溅射沉积技术具有可实现大面积快速沉积，薄膜与衬底结合力好，溅射密度高、针孔少，膜层可控性以及重复性好等优点。

Bu及其合作者利用一步磁控溅射工艺制备了大面积的全色反射型滤光片，且该滤光片具备较好的颜色饱和度和优异的机械性能[88]。该全色反射型滤光片是基于金属镁(Mg)材料制备的，它是由Mg基的MgZnCa (MZC)薄膜以及MZC 氧化层组成，如图9(a)所示。其中，MZC薄膜因为具有良好的金属玻璃形成能力以及良好的机械性能，并且在可见光范围内具有足够高的反射率而被用作反射层。在沉积MZC薄膜后，通过一步反应磁控溅射法可以直接获得MZC氧化物薄膜吸收层。更重要的是，吸收层薄膜的光学常数可以通过调节MZC的氧化程度来调节。另外，调节MZC薄膜的氧化程度以及厚度，可以实现可见光范围内全光覆盖的反射型滤色片，且MZC氧化层的硬度高达9.12 GPa。当光在薄膜叠层中的界面处发生反射时，会产生干涉效应，如图9(b)所示。在这种情况下，入射光被分为两部分：一部分在空气/MZC氧化物薄膜界面发生反射，另一部分穿透MZC氧化物薄膜并最终在MZC氧化物薄膜/MZC衬底界面处发生反射。MZC氧化物薄膜表面的反射光与MZC氧化物薄膜-衬底界面上的出射光之间的干涉导致了不同的颜色。在不同氧通量下沉积的镁基薄膜的颜色可以覆盖较广的色域范围，如图9(c)所示。另外从该图中还可以看出，对于不同厚度的氧化层薄膜，镁基薄膜的颜色从蓝色变为水绿色，从深黄色变为紫红色。图9(d)所示为制备的2 cm×2 cm大面积镁基反射型颜色滤光片的光学图片。从图中可以看出该样品几乎覆盖了可见范围内的所有颜色。高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像显示了由MZC氧化物和MZC双层膜组成的反射滤色片的结构模型，如图9(e)所示。

真空蒸发沉积是利用物质在真空中加热到高温时的蒸发气化，形成某种薄膜的气态喷束，再在衬底上沉积形成该物质薄膜过程的一种薄膜沉积技术。真空蒸发沉积涉及气化和沉积两个主要过程。电子束蒸发和热蒸发沉积是真空蒸镀的两种主要方式。其中，电子束蒸发沉积工艺是目前真空镀膜技术中一种成熟且主要的镀膜方法。与传统蒸镀方式不同，电子束蒸镀利用电磁场的配合可以精准地实现利用高能电子轰击坩埚内靶材，使之融化进而沉积在基片上，因此可以沉积出高纯度高精度的薄膜。

Yang及其合作者利用电子束蒸发和热蒸发工艺制备了纯度高且亮度大的结构色滤光片[89],其结构模型如图10(a)所示。该滤光片从上到下依次由60 nm厚的TiO2薄膜(AR覆盖层)、15 nm厚的Ni 薄膜(吸收层)、27 nm厚的PTCBI薄膜(吸收层)、60 nm厚的TiO2间隔层以及100 nm厚的Al薄膜(反射镜)形成的介质-吸收体-介质-金属(dielectric-absorber-dielectric-metal, DADM)结构组成。放置在Ni薄膜下方的PTCBI同时起额外吸收层和部分间隔层的作用，从而在这种DADM结构中形成了一种新型的Ni-PTCBI复合吸收体。PTCBI和底部的TiO2间隔层的总厚度对应于460 nm波长处的半波长光学厚度，从而保证了在蓝色波段具有极高的高反射率。此外，在这种不对称F-P腔结构中激发的强干涉效应会导致复合吸收体在其他不需要的波长处具有很强的光吸收，造成边带反射光谱中(500～800 nm)的反射效率得到很大程度的抑制，从而获得颜色纯度非常高的彩色滤光片，结果如图10(b)所示。蓝色滤光片反射光谱的实验测试结果与理论模拟结果非常吻合，如图10(b)中的蓝色实线②和虚线③所示。

电化学沉积工艺是在外电场作用下的化学体系中进行的一种氧化-还原反应，是一种或多种离子从阴极上获得电子，并转化为中性的原子、分子或其他合成物的过程。所以，电化学沉积由离子得到电子被还原出来以及还原物沉积生成两个过程组成，该工艺通常被用于制备金属或金属氧化物薄膜。电化学沉积薄膜制备工艺的主要优点在于所采用的设备简单、廉价、工艺成本低、室温下即可操作，并且与不规则、弯曲衬底具有良好的兼容性。

Ji及其合作者利用电化学沉积工艺制备了基于多层膜结构的彩色滤光片[90]。该结构色滤光片由金属-介质-金属构成的FP腔组成，其结构模型如图11(a)所示。其中，顶层和底层的金属材料为Au, 中间介质层的材料为Cu2O,衬底为重氮掺杂的晶体硅(n+-Si)。电化学沉积工艺采用标准的三电极电化学电池设计，如图11(b)所示。这里，导电n+-Si衬底以及铂金网分别用作工作电极和反向电极。为了获得具有高反射效率或高亮度的结构色，要求沉积薄膜表面具有较小的表面粗糙度。另外，通过改变中间Cu2O的厚度可以获得不同的颜色。例如，设定底部和顶部金属Au薄膜的厚度分别为40 nm和15 nm时，将中间Cu2O的厚度分别取值为70 nm、45 nm和20 nm时，可以获得C、M、Y三种颜色。对应的C、M、Y三种颜色的反射光谱如图11(c)所示，其中实线为模拟结果，虚线为实验测试结果。插图为制备样品的光学图片。基于中间Cu2O薄膜具有较高的折射率，如图11(d)所示，利用电化学沉积工艺制备的结构色滤光片具有很好的角度不敏感特性(～60°),模拟和实验测试结果分别如图11(e)和(f)所示。研究结果还表明，电化学沉积工艺可以在不规则的衬底上制备薄膜，结果如图11(g)所示。

制备多层膜结构色滤光片除了上述几种工艺外，还有非真空环境下的自组装法[91,92,93]以及溶胶-凝胶法[94,95]等。自组装是原子、分子或纳米材料在衬底上自发地排列成1D、2D甚至3D有序空间结构的工艺；溶胶-凝胶法是一种由金属有机化合物、金属无机化合物或两者的混合物经过水解缩聚后逐渐凝胶化而获得氧化物或其他化合物的工艺。

为了充分吸收自然光并将其转换成电能，传统太阳能电池板通常由一层非常厚的半导体材料组成。但是黑色和暗淡的外观限制了其在车辆或建筑物表面的应用，因此，需要设计出具有美丽外观的多功能太阳能电池板。这时，装饰性太阳能电池板引起了研究人员的极大兴趣。

Lee及其合作者提出了双功能光伏/彩色滤光片设备，这类器件能够在反射特定颜色的同时，将吸收的光能转换为电能[67,96]。图12(a)所示为双功能太阳能电池的结构模型[96],其中，Ag-α-Si-Ag结构作为F-P谐振腔实现反射波长的选择并显示相应的颜色。同时未掺杂的本征超薄α-Si膜作为活性层，上下两层Ag薄膜作为阳极与阴极，实现光能的转换。改变中间半导体材料α-Si的厚度可以实现反射颜色的调控。图12(b)所示为对应不同颜色的反射光谱的模拟和测试结果。当α-Si的厚度分别为27 nm、18 nm以及10 nm时，可以分别制备出C、M和Y三种颜色。图12(c)所示为所制备的具有密歇根大学标志的太阳能电池板。虽然基于高折射率半导体材料(α-Si)的太阳能电池板的颜色表现出优越的角度不敏感性(～60°),但是其工作效率仅有3%左右。为了进一步提高能量转换效率并加速产品的商用化，Ji及其合作者通过在晶体硅太阳能电池板上加上一个透射-反射滤光装置，制造出了具有优异角度不敏感特性的彩色太阳能电池，同时获得了较高的转换效率[97]。图12(d)所示为高效彩色太阳能电池的结构模型，它是将c-Si太阳能电池板与顶部装饰性透-反射滤光片集成在一起。其中，插图为能够产生独特反射颜色以及宽带高透射的角度不变的透-反射滤光片的结构模型。透-反射滤光片是由透明二氧化硅衬底上的五层薄膜材料组成，其中两层透明介电材料(硒化锌(ZnSe)/氮化硅(Si3N4))之间夹有一层薄的非晶硅层，形成对称的梯度折射率分布，从而使c-Si光伏在整个太阳光谱中产生显著的透射。对应不同颜色的反射光谱的峰值效率高达60%,如图12(e)所示。另外，对应三种反射颜色的滤光片同时显示了高效且宽带的透射光谱，如图12(f)所示，且反射光谱和透射光谱的计算结果与实测结果具有很好的一致性。研究结果显示，基于这种结构的太阳能电池板在60°范围内具有很好的角度不敏感特性，且电池转换效率高达13.9%。

虽然具有“美丽外观”的太阳能电池板会损失部分进入的可见光，但是它可以起到非常好的装饰作用。因此，原来只能隐藏在建筑物屋顶上的黑色太阳能电池板可以被具有“美丽外观”的太阳能电池板取代，并可以装置在多种场合。另外，这种结构简单、薄膜层数少的颜色滤光片可以用来装饰其他类型的太阳能电池板，从而更好地实现建筑一体化，同时保护有源器件不受环境退化的影响。而且，当彩色结构损坏或需要不同颜色时，它可以很容易地被更换，因此在未来的建筑集成光伏和汽车应用中具有巨大的潜力。

彩色印刷与装饰在日常的生产与生活中处于重要地位。传统彩色印刷与装饰通常选择有机染料作为油墨，不仅容易褪色而且会对环境造成污染，更重要的是印刷分辨率较低，无法满足高端印刷品的应用需求。近年来，光与物体表面微纳结构相互作用产生的结构色，以其安全无毒、不易褪色且印刷分辨率极高的特点逐渐成为替代传统有机染料油墨实现绿色印刷的新选择。

Yang及其合作者利用金属Ni薄膜设计并制备了一种新型的Ni/SiO2/Al不对称FP腔反射型滤光片[85],其结构模型如图13(a)所示。t、d、h分别代表顶部金属Ni、中间介电层SiO2和底部金属Al的厚度。为了抑制入射光的透射，Al的厚度被设定为100 nm。为使金属损耗和共振腔内的光耦合达到最佳平衡，顶层金属Ni薄膜的厚度设定为6 nm。另外，改变中间介电层SiO2的厚度可以获得不同的反射型颜色。当SiO2的厚度分别取值为d=120 nm、170 nm、220 nm、270 nm时，该结构在正入射方式下的光谱响应图13(b)所示。对应这种光谱响应的物理机制可以利用结构内的共振现象以及金属Ni薄膜的吸收特性进行解释：分别从SiO2/Al界面和Air/Ni界面产生的两束相干反射光发生了相长干涉，造成了峰值反射光谱；而在边带反射光谱波长处发生相消干涉使得入射光被顶层金属Ni吸收。基于Ni/SiO2/Al结构的不对称FP腔滤光片不仅结构简单而且能高效地调控颜色，因此在彩色印刷方面具有极大的应用潜力。图13(c)所示为像素分辨率为600×585、尺寸为300 μm×292 μm的2016年里约热内卢奥运会的彩色微型图案，其中不同的颜色(比如红、绿、蓝)是通过精确控制SiO2的厚度获得的。然而，由于加工技术的挑战，基于该结构能获得的色域比较有限，因此他们又提出了一种基于干涉型彩色像素的全彩印刷技术，通过精确控制超薄有损薄膜不对称FP腔中介电层的厚度和填充密度，可极大地扩展颜色色域[76]。结合优化的结构设计，独特的灰度图案制造工艺(使用透明无机抗蚀剂作为介电层)和一种打印算法，任意全彩图像可在微米尺度下被高度还原。要实现全彩印刷，关键是如何在一个样品表面获得具有不同厚度和填充密度的不对称FP腔结构，才能单片集成各种各样的颜色。在这项工作中，得益于高分辨灰度光刻技术，通过设置不同的曝光剂量和优化显影条件可精确控制FP腔的厚度。图13(d)所示为基于灰度光刻技术的非对称FP腔结构，其中插图为单个颜色像素所对应的结构模型。通过改变中间介电层的厚度t和宽度D可以获得不同的颜色，结果如图13(e)所示。基于上述打印算法，他们在微米尺度下制作了一幅画家梵高的著名油画“向日葵”的全彩图像，以展示这些非连续的干涉型结构色像素在任意彩色数字图像的全彩印刷领域的应用潜力和可行性，结果如图13(f)所示。

依赖于环境光而不是内部光源的反射式显示器已经在各种重要的应用领域中取得了进展，特别是那些必须严格控制电源使用的可移动产品。反射式和发射式显示器的基本色彩呈现策略基本相同，就是将三个固定的原色子像素组合在一起，构成用户期望的丰富色域。

基于RGB的反射式彩色显示器，为了显示特定的原色，其他两个原色必须是黑色，如图14(a)所示，这意味着最多只有约1/3的入射光反射回到观察者。由于每个彩色子像素吸收了大约2/3的入射白光，因此造成显示颜色的亮度/色域性能减弱。基于此， Hong及其合作者利用单镜干涉(single mirror interferometric, SMI)显示技术克服了像素的这种限制[98]。在SMI显示中，由于每个像素都可以呈现正确的原色，因此避免了2/3的亮度损失。同样，色域也不会因不需要的黑态泄漏而降低。发生干涉吸收的光学配置包括一个镜子，一个薄的金属吸收层，和一个空气间隙分隔层，如图14(b)所示。入射光首先通过超薄金属层入射到镜子表面，然后通过镜子表面的反射作用后经过同一金属层传输给观察者。金属层的厚度需要被设计地足够薄才可以实现入射光的部分吸收和部分透射。波长为λ的入射光与镜面的反射光发生干涉，产生具有局部峰值和零点的驻波，如图14(c)所示。第一个零点的位置出现在距离镜面λ/2处且以该距离为间隔出现后面的零点。对于该波长，一个超薄吸收体放在一个零点位置处，则对该波长的吸收很小。当吸收体置于红色干涉图样的零位时，对红色波长的入射光吸收很少而其他颜色的光全被吸收，因此可以高效率地反射红色。当吸收体逐渐靠近镜子时，反射色由红色逐渐变为绿色、蓝色以及黑色。当整个可见光谱的颜色几乎被均匀地吸收时，反射色变为白色。具有不同空气间隙下的反射光谱如图14(d)所示。

多层膜结构色滤光片不涉及复杂的几何图案，制备过程简单，适合大规模生产。另外，基于这种薄膜干涉效应所呈现的颜色不仅纯度高、亮度大，而且不易褪色，更不会对环境造成污染，因此多层膜结构色滤光片成为替代传统化学染料的新选择，并在光学显示、彩色印刷、美学装饰以及光伏等领域有着潜在的应用价值。本文系统地总结了1D多层膜结构色滤光片在近年来的研究进展，包括产生结构色的机理、制备方法以及应用现状等。

虽然多层膜结构色滤光片不涉及复杂的微纳加工工艺，但是其颜色的纯度、亮度以及分辨率等很难满足日益增长的需求。另外，多层膜结构色滤光片的色域范围限制了其在特殊场合的应用。因此，需要设计新的结构模型或研究新的物理机制来获得光学特性更好的颜色。另一方面，基于微纳光学结构的超构表面结构色滤光片的亮度、纯度和分辨率都已取得了很大进展，因此可以将多层膜结构色滤光片与微纳超构表面结构色滤光片相结合以获得色域范围更大、颜色纯度更高、亮度更强的颜色。但是，随着颜色滤光片结构模型的复杂程度越来越高，几何结构参数的设计就会变得比较困难。因此，可以结合机器学习或智能算法(比如遗传算法、粒子群优化算法、贝叶斯优化等) 来优化设计结构色滤光片的结构模型。另外，为了推进结构色滤光片的大规模生产，需要开发低成本、工艺简单且成品率高的制备方法。

结构色滤光片的应用场景可以扩展到食品领域(彩色巧克力),也可以扩展到可穿戴的电子产品上。另外，基于多层膜的结构色滤光片在汽车装饰领域具有极大的应用潜能，它可以代替化学油墨减小空气污染，而且颜色纯度更高、亮度更大。同样，新型的应用需求会反过来促进多层膜结构色滤光片的进一步发展。