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  利用微結(jié)構(gòu)和光的相互作用，能夠產(chǎn)生顏色，這就是結(jié)構(gòu)色。由于結(jié)構(gòu)色具有色彩豐富和穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，在打印、顯示和信息等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。等離激元材料是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)色的重要材料，然而其光學(xué)損耗顯著，影響了顏色的質(zhì)量。而介質(zhì)材料具有較高的折射率和較低的光學(xué)損耗，在衍射極限情況下利用微納結(jié)構(gòu)形成束縛的光學(xué)模式，可以作為一種替代品。華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院臧劍鋒教授課題組，提出了一種用于產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色的全介質(zhì)納米環(huán)超表面（Nano Letters，2020, DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c03596）。

  這種超表面由二氧化硅襯底上的硅/二氧化硅納米環(huán)陣列組成（圖1a），通過電子束光刻（EBL）和電感耦合等離子體刻蝕（ICP）等標(biāo)準(zhǔn)微納加工工藝即可制備。通過掃描電子顯微鏡（SEM）的表征，所制備的超表面結(jié)構(gòu)單元尺度在100nm 到400nm（圖1b）。通過調(diào)整超表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)，能夠觀察到豐富多彩的顏色（圖1c）。

圖1用于結(jié)構(gòu)色的全介質(zhì)超表面。（a）超表面的結(jié)構(gòu)示意圖。（b）超表面的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。（c）明場光學(xué)顯微照片中產(chǎn)生不同顏色的超表面。

  在之前的研究中，不同的顏色可以通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)單元（例如納米盤和納米孔）的尺寸和結(jié)構(gòu)單元之間的間距來產(chǎn)生。而對于這種納米環(huán)超表面，除了對上述常規(guī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進行調(diào)節(jié)，還可以對納米環(huán)的內(nèi)徑進行調(diào)節(jié)，這豐富了超表面的設(shè)計自由度，也為產(chǎn)生色域度更廣的顏色提供了基礎(chǔ)。通過物理場仿真能夠揭示這種納米環(huán)超表面的光學(xué)響應(yīng)特性。納米環(huán)結(jié)構(gòu)在可見光照射下能夠激發(fā)電諧振模式和磁諧振模式，在諧振頻率附近具有很高的反射率（圖2）。

圖2 納米環(huán)超表面的光學(xué)響應(yīng)特性。（a）納米環(huán)超表面的反射光譜仿真結(jié)果。（b）（c）（d） 諧振頻率處電場強度空間分布。

  進一步研究表明，納米環(huán)元結(jié)構(gòu)的外徑會顯著影響反射光譜。當(dāng)納米環(huán)的外徑從150 nm增加到200 nm時，磁諧振模式的頻率從609 nm移動到738 nm，產(chǎn)生了129 nm的紅移（圖3a、圖3b）。內(nèi)徑對反射光譜的影響相反，如所示。當(dāng)內(nèi)徑從40 nm增加到90 nm時，磁共振模式的頻率從740 nm移動到660 nm，產(chǎn)生了80 nm的藍移（圖3c、圖3d）。

圖3 納米環(huán)外徑和內(nèi)徑對反射光譜的影響。（a）具有不同外徑的納米環(huán)超表面的反射光譜的仿真結(jié)果和實驗結(jié)果。（b）具有不同外徑的納米環(huán)超表面的的SEM圖像和對應(yīng)的明場光學(xué)顯微照片。（c）具有不同內(nèi)徑的納米環(huán)超表面的反射光譜的仿真結(jié)果和實驗結(jié)果。（d）具有不同內(nèi)徑的納米環(huán)超表面的的SEM圖像和對應(yīng)的明場光學(xué)顯微照片。

  由于介電材料的損耗低于等離激元材料，這種納米環(huán)超表面可以產(chǎn)生具有更高飽和度的顏色。如圖4a所示，在國際照明委員會（CIE）1931色品圖上，由納米環(huán)超表面形成的色域占據(jù)了標(biāo)準(zhǔn)色空間（sRGB）的115％的面積。這種超表面在不同偏振態(tài)的光照射下具有相似的反射光譜，這表明這種超表面是偏振無關(guān)的（圖4b）。最后，利用這種納米環(huán)超表面，呈現(xiàn)由字母“ HUST”組成的圖案（圖4c）。

圖4 （a）納米環(huán)超表面的色域范圍。（b）納米環(huán)超表面的偏振反射光譜。（c）基于納米環(huán)超表面的圖案設(shè)計。

  本工作為用于產(chǎn)生顏色的全介質(zhì)結(jié)構(gòu)色超表面的研究和應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。這項工作得到了中國國家重點研究發(fā)展計劃、國家自然科學(xué)基金等項目資助。

  原文鏈接：

  https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.0c03596

  Here is a link to the article "All-Dielectric Silicon Nanoring Metasurface for Full-Color Printing", You can view the full text of this article at http://pubs.acs.org/articlesonrequest/AOR-NXRQIXUX3CWMPRUVGKZM to download this article.