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Nat. Nanotechnol.：南大徐挺、陸延青團(tuán)隊(duì)在納米結(jié)構(gòu)色研究中取得新進(jìn)展
來(lái)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(duì)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(gè)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(zhǎng)帶寬的光源中發(fā)出的彩色光，我們?cè)谏钪型ǔＳ^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(gè)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(qiáng)的紫外線下或是極度潮濕的環(huán)境下，它們的顏色就會(huì)逐漸褪去。在實(shí)際應(yīng)用中，染料和顏料也無(wú)法用在需要超高分辨率的彩顯技術(shù)中。這一系列的問(wèn)題使得研究學(xué)者們開(kāi)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(shí)際上并不是色素造成的，而是源于光與微米級(jí)結(jié)構(gòu)的相互作用。受到這一啟發(fā)，科學(xué)家們開(kāi)始致力于利用人工微納結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生顏色的研究。在過(guò)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(lái)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(zhǎng)的量級(jí)上，嚴(yán)重制約了光學(xué)器件的尺寸。在可見(jiàn)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(zhǎng)的電磁波與金屬微納結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)，會(huì)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(guò)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(shí)現(xiàn)彩色打印技術(shù)提供了物理?xiàng)l件并成為近幾年國(guó)際上的一個(gè)研究熱點(diǎn)。然而金屬材料在光波段的損耗會(huì)大大減少所產(chǎn)生的顏色的飽和度，影響色度范圍的同時(shí)還降低了顯色的亮度。除此之外，要實(shí)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(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種表面浮雕式的全銀結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)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(shì)。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(gè)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(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究相比，本研究的最大亮點(diǎn)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(shí)實(shí)現(xiàn)高飽和度及明暗強(qiáng)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(qiáng)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(shí)、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(guò)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(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及微納加工的工藝來(lái)說(shuō)都是一個(gè)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(gè)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(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)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(duì)高價(jià)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(shí)只有在一些特殊條件下才能呈現(xiàn)出來(lái)。圖2 (a)模板設(shè)計(jì)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(lái)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(duì)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(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等平臺(tái)的大力支持。參考資料：https://news.nju.edu.cn/xsdt/20221207/i111324.html
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