近日，哈工大（深圳）“微納光電信息系統理論與技術”工信部重點實驗室中心團隊設計了高性能的全介質結構色，通過新途徑在空間分辨率、可製造性、反射率、半高寬和CIE色域面積5個顏色關鍵性能參數上同時實現了突破（圖1）。實驗色域面積達到了181.8% 的sRGB, 135.6%的Adobe RGB, 以及97.2%的Rec.2020。
圖1：不同結構色技術在空間分辨率、可製造性、反射率、半高寬比值和色域面積參數上的對比。
該創新研究利用折射率匹配層與單晶硅超表面相結合，實現了結構色5項參數的一體化突破，這一進展有望為結構色在動態顯示、光學安全和信息存儲等領域的商業化應用帶來新途徑。研究成果以“All-dielectric metasurface for high-performance structural color ”為題在線發表在Nature Communications期刊上。哈工大（深圳）材料科學與工程學院2017級博士生楊文宏為第一作者，哈爾濱工業大學（深圳）肖淑敏教授和香港理工大學蔡定平（Din-Ping Tsai）教授為共同通訊作者。
據瞭解，顏色起源於自然界中光與物質的相互作用，在人類的世界中扮演了很重要的角色。其中最常見的就是顏料和染料，通過吸收特定光的特性產生可見光範圍內的不同顏色，但這樣的顏色通常色彩鮮豔度低，色域面積小，並且空間分辨率低。為了解決這些問題，對不同材料微納結構的設計實現了結構色等技術領域的發展，其中一個重要的方法就是設計實現基於等離子體的結構色，利用光與等離子體納米結構的相互作用，可以實現覆蓋可見光範圍的鮮豔結構色，並且分辨率達到了光學衍射極限。另一個重要的途徑就是利用全介質材料實現的結構色，通常全介質結構色會比等離子體結構色更鮮豔生動，色域面積更大。最近，利用液晶材料、微流通道、相變材料和增益材料等實現了結構色在動態調控領域的突破。
儘管上述的結構色取得了一定的進展和突破，但在實際的色彩顯示、分子探測、光學安全與存儲應用中還是受到一定限制，這是因為這些結構色技術只能達到上述5個關鍵參數中的一個或幾個。其中等離子體結構色可以達到亞波長的分辨率，但是受制於自身的損耗使得色彩較為暗淡，色域面積小。而全介質結構色，例如TiO2可以實現高亮度和廣色域的結構色，但空間分辨率低。目前還沒有結構色的設計可以同時滿足這5個關鍵性能參數，該研究工作設計並用實驗實現了5個顏色關鍵參數的同時突破。
圖2：廣色域結構色的實現與展示（a）單晶硅超表面的結構和工作原理示意圖。（b）硅超表面結構色在空氣（▲）和DMSO溶液（★）中的實驗色域。（c）和（d）為實驗記錄的108個色塊分別在空氣和DMSO中的顏色。（e）-（i）實驗製備的漢字“福”在空氣中的顏色（j）-（n）加入折射率匹配層後所對應的顏色。
為了實現上述的參數，本文作者設計了單晶硅超表面，從材料角度看，硅材料性質穩定，而且和CMOS技術兼容，符合大批量生產和長時間耐用性的要求。此外，硅的高折射率使得高性能結構色的簡單結構設計成為可能，這對於低成本的納米制造至關重要，並且單晶硅的損耗低，利於實現高亮度的結構色。如圖2（a）所示，該結構由硅納米圓柱和氧化鋁基底組成，通過加入折射率匹配層（DMSO溶液或PMMA封裝層），使得顏色的鮮豔程度大幅提升。研究團隊在商用silicon on sapphire (SOS) wafer上製備樣品，實驗色域面積達到了181.8% 的sRGB, 135.6%的Adobe RGB, 以及97.2%的Rec.2020，如圖2(b)所示。作者利用折射率匹配層抑制了基底的反射，與Kerker條件類似，電偶極共振與磁偶極共振之間的相消干涉將進一步減少主反射峰外的不理想反射。與磁偶極子相比，電偶極子共振更靠近邊界，對環境折射率變化更敏感。因此，折射率匹配層可以將電偶極子共振推到磁偶極子共振，從而縮小反射光譜的FWHM。研究團隊製備了108個色塊與漢字“福”對結構色進行展示，如圖2（c）-（n）所示，加入折射率匹配層DMSO溶液後顏色的飽和度和鮮豔度都得到了大幅的提高。
除了高反射率、窄FWHM、廣色域、大規模可製造性和長時間耐用性之外，空間分辨率也是結構色的另一個關鍵參數，基於TiO2的結構色依賴於諧振的影響，空間分辨率被限制到了104 dpi。而硅材料由於高折率的特性，使其具有了提高空間分辨率的潛能。為了驗證硅超表面結構色的分辨率，研究人員製備了3×3、2×2的硅圓柱陣列以及 “鳳凰”和“彩虹”圖案，如圖3所示。圖3(b)總結了黃色、綠色、藍色和紫色相應像素圖案的結構顏色。雖然每個像素單元的數量從9個減少至4個，但像素顏色仍然保持的很好。從“鳳凰”和“彩虹”的圖案可以明顯看出，儘管像素單元的數量從5×5減少至2×2，圖案的顏色並沒有明顯的減弱。顯微鏡圖像顯示，即使接近衍射極限，仍然可以分辨出不同的顏色。圖3中的小像素尺寸、顏色均勻性和顏色可分辨性證實了硅超表面可以產生具有衍射極限分辨率的結構色。
圖3：全介質結構色空間分辨率的驗證。
最後，研究人員展示了一個“孔雀”的微觀彩色圖像來演示任意結構色圖案的製備，如圖4所示。當樣品在顯微鏡下被白光照射時，在圖4(b)中可以清楚地看到綠色、藍色和紫色等顏色均勻、明顯的“孔雀”圖像。加入DMSO溶液後，“孔雀”立即改變，圖案變得更加鮮明和富有活力。對比圖4(b)和圖4(c)，很容易看出彩色圖像是可以動態切換的。同時，DMSO溶液中圖案的背景幾乎是完全黑暗的，這也是背景反射減少的直接證明。研究人員指出折射率匹配層並不侷限於DMSO之類的溶液。它也適用於液晶或固態材料。圖4(d)顯示了用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)封裝後的“孔雀”的圖像。結果與圖4(c)基本一致。
圖4：硅超表面結構色的全綵展示（a）“孔雀”圖案的SEM表徵。（b）和（c）為“孔雀”圖案分別在空氣和DMSO溶液中的顏色。（d）PMMA封裝之後 “孔雀”圖案的顏色。
論文中，作者提出並用實驗證明了一種由Si超表面產生的新型結構色。通過應用折射率匹配層，Si超表面結構色可以具有一系列獨特的性質，即高反射率、窄FWHM、背景反射可忽略等。色域面積達到了97.2%的Rec.2020。同時將空間分辨率提高到至衍射極限，不影響色彩的均勻性和展示。由於納米結構完全由硅構成，自然繼承了硅光子學的大規模可製造性和長時間穩定性的特點。Si超表面首次實現了優異結構色的所有關鍵參數。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-15773-0
