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Nat. Nanotechnol.：南大徐挺、陸延青團(tuán)隊在納米結(jié)構(gòu)色研究中取得新進(jìn)展
來源：南京大學(xué) 2022-12-08
導(dǎo)讀：近日，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院徐挺教授、陸延青教授團(tuán)隊研發(fā)出一種基于表面等離子體共振誘導(dǎo)旋光效應(yīng)的超構(gòu)表面，該超構(gòu)表面能從頻率、偏振、振幅等多個維度調(diào)控光，進(jìn)而產(chǎn)生高飽和度、高效率、明暗連續(xù)的結(jié)構(gòu)色。
不同于從有限波長帶寬的光源中發(fā)出的彩色光，我們在生活中通常觀察到的顏色源自于光與物體的相互作用。以最熟悉的染料和顏料為例，它們的化學(xué)分子構(gòu)成能吸收自然光或白光光源中某個特定波段從而反射出余下的波段形成顏色。但是，這類有機(jī)染料的化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，暴露在較強的紫外線下或是極度潮濕的環(huán)境下，它們的顏色就會逐漸褪去。在實際應(yīng)用中，染料和顏料也無法用在需要超高分辨率的彩顯技術(shù)中。這一系列的問題使得研究學(xué)者們開始關(guān)注新的彩色顯示技術(shù)。在大自然中，有很多十分鮮艷的顏色，實際上并不是色素造成的，而是源于光與微米級結(jié)構(gòu)的相互作用。受到這一啟發(fā)，科學(xué)家們開始致力于利用人工微納結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生顏色的研究。在過去的幾十年里，集成電子學(xué)一直蓬勃地發(fā)展。如今光刻技術(shù)所能加工出的線條越來越小，這將革命性地縮小集成電路尺寸、提高半導(dǎo)體器件的集成度和使用品質(zhì)。相比之下，典型的光學(xué)元器件由于受到光學(xué)衍射極限的限制，其尺寸一般仍處在幾十倍甚至幾百倍于波長的量級上，嚴(yán)重制約了光學(xué)器件的尺寸。在可見光頻段，金屬作為一種有損耗的媒介，其相應(yīng)的介電常數(shù)也由復(fù)數(shù)形式表達(dá)。當(dāng)特定波長的電磁波與金屬微納結(jié)構(gòu)相互作用時，會激發(fā)一種存在于金屬和介質(zhì)交界面的電子集群振蕩，稱為"表面等離子體"。表面等離子體共振模式的產(chǎn)生使得金屬微納結(jié)構(gòu)能透過或者反射某些頻段的光從而產(chǎn)生顏色，這也為將金屬材料用到顯色器件中或是實現(xiàn)彩色打印技術(shù)提供了物理條件并成為近幾年國際上的一個研究熱點。然而金屬材料在光波段的損耗會大大減少所產(chǎn)生的顏色的飽和度，影響色度范圍的同時還降低了顯色的亮度。除此之外，要實現(xiàn)超連續(xù)的顏色明暗度變化以及如何大批量的完成器件制備依舊是大挑戰(zhàn)。為了解決這些問題，研究團(tuán)隊提出并實驗驗證了一種表面浮雕式的全銀結(jié)構(gòu)。通過對結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的優(yōu)化并采用了電子束曝光輔以模板翻轉(zhuǎn)工藝的加工技術(shù)，高質(zhì)量的納米銀結(jié)構(gòu)得以制備，其產(chǎn)生的顏色具有高飽和度、廣色域、高效率、明暗連續(xù)變化等優(yōu)勢。圖1展示了納米銀結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)以及像素化超構(gòu)表面用于顯色的概念。圖1 (a)超構(gòu)表面的俯視圖，紅色虛線表示一個仿真單元。(b)超構(gòu)表面的斜視圖。(c)像素化超構(gòu)表面用于產(chǎn)生不同顏色的概念示意圖。與此前國內(nèi)外的相關(guān)研究相比，本研究的最大亮點在于，不但可以產(chǎn)生高效率廣色域范圍的全顏色顯示，還能同時實現(xiàn)高飽和度及明暗強度超連續(xù)變化的顏色。歷史上著名的油畫往往都呈現(xiàn)出了極強的層次感和立體感，這都得益于大師作家繪畫技法及風(fēng)格上的形體結(jié)實、結(jié)果精致，用較復(fù)雜的多層顏料堆疊的技法以使顏色明朗和諧，明暗過渡平滑。要想利用光與微納結(jié)構(gòu)的相互作用而繪出如此精致的"油畫"，著實對結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及微納加工的工藝來說都是一個不小的挑戰(zhàn)。圖2呈現(xiàn)了顯微鏡下拍攝的基于超構(gòu)表面的微縮版"油畫"。根據(jù)前述理論，超構(gòu)表面每個像素所產(chǎn)生的顏色及明暗度就由納米銀槽陣列的尺寸和旋轉(zhuǎn)方向決定，由于超廣的色域和超連續(xù)的明暗變化，即必有一種納米結(jié)構(gòu)的尺寸和旋轉(zhuǎn)方向組合使得該像素產(chǎn)生的顏色能近乎完美地接近于原作中同位置的顏色。由于本技術(shù)中顏色的產(chǎn)生還依賴于偏振片，那么檢偏片本身也可以作為一種開關(guān)來實現(xiàn)圖像的呈現(xiàn)與消失，在一定程度上，該技術(shù)可以用作對高價值物品的防偽，即在圖像中編碼某些特定文字或代碼，而這些標(biāo)識只有在一些特殊條件下才能呈現(xiàn)出來。圖2 (a)模板設(shè)計原則；(b)珍珠耳環(huán)的少女；(c)蒙娜麗莎；(d)巖間圣母，比例尺均為200 μm。該工作提出了一種具有色散旋光效應(yīng)的全銀超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生高飽和度、高效率、廣色域、明暗連續(xù)變化的結(jié)構(gòu)色。模板翻轉(zhuǎn)工藝使得該超構(gòu)表面能被大批量的制備。該工作為科學(xué)與藝術(shù)之間架起了一座橋梁，也在納米彩色打印、微納顯示、光學(xué)加密、隱寫術(shù)等應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)出了潛力。相關(guān)成果被發(fā)表在《Nature Nanotechnology》期刊上，題為"Versatile full-colour nanopainting enabled by a pixelated plasmonic metasurface"（doi:10.1038/s41565-022-01256-4）。南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院副研究員宋茂文、封雷為共同第一作者，電子學(xué)院閆鋒教授給予了重要建議，現(xiàn)工院博士后劉明澤、霍鵬程副研究員對本文亦有重要貢獻(xiàn)。現(xiàn)工院徐挺教授和陸延青教授為通訊作者。本工作受到國家自然科學(xué)基金等項目支持，并得到人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室等平臺的大力支持。參考資料：https://news.nju.edu.cn/xsdt/20221207/i111324.html
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