近日，哈尔滨工业大学（深圳）“微纳光电信息系统理论与技术”工信部重点实验室中心肖淑敏教授团队设计了高性能的全介质结构色，通过新途径在空间分辨率、可制造性、反射率、半高宽和CIE色域面积5个颜色关键性能参数上同时实现了突破（图1）。实验色域面积达到了181.8% 的sRGB, 135.6%的Adobe RGB, 以及97.2%的Rec.2020。
图1：不同结构色技术在空间分辨率、可制造性、反射率、半高宽比值和色域面积参数上的对比。
该创新研究利用折射率匹配层与单晶硅超表面相结合，实现了结构色5项参数的一体化突破，这一进展有望为结构色在动态显示、光学安全和信息存储等领域的商业化应用带来新途径。研究成果以“All-dielectric metasurface for high-performance structural color ”为题在线发表在Nature Communications期刊上。哈工大（深圳）材料科学与工程学院2017级博士生杨文宏为第一作者，哈尔滨工业大学（深圳）肖淑敏教授和香港理工大学蔡定平（Din-Ping Tsai）教授为共同通讯作者。
据了解，颜色起源于自然界中光与物质的相互作用，在人类的世界中扮演了很重要的角色。其中最常见的就是颜料和染料，通过吸收特定光的特性产生可见光范围内的不同颜色，但这样的颜色通常色彩鲜艳度低，色域面积小，并且空间分辨率低。为了解决这些问题，对不同材料微纳结构的设计实现了结构色等技术领域的发展，其中一个重要的方法就是设计实现基于等离子体的结构色，利用光与等离子体纳米结构的相互作用，可以实现覆盖可见光范围的鲜艳结构色，并且分辩率达到了光学衍射极限。另一个重要的途径就是利用全介质材料实现的结构色，通常全介质结构色会比等离子体结构色更鲜艳生动，色域面积更大。最近，利用液晶材料、微流通道、相变材料和增益材料等实现了结构色在动态调控领域的突破。
尽管上述的结构色取得了一定的进展和突破，但在实际的色彩显示、分子探测、光学安全与存储应用中还是受到一定限制，这是因为这些结构色技术只能达到上述5个关键参数中的一个或几个。其中等离子体结构色可以达到亚波长的分辨率，但是受制于自身的损耗使得色彩较为暗淡，色域面积小。而全介质结构色，例如TiO2可以实现高亮度和广色域的结构色，但空间分辨率低。目前还没有结构色的设计可以同时满足这5个关键性能参数，该研究工作设计并用实验实现了5个颜色关键参数的同时突破。
图2：广色域结构色的实现与展示（a）单晶硅超表面的结构和工作原理示意图。（b）硅超表面结构色在空气（▲）和DMSO溶液（★）中的实验色域。（c）和（d）为实验记录的108个色块分别在空气和DMSO中的颜色。（e）-（i）实验制备的汉字“福”在空气中的颜色（j）-（n）加入折射率匹配层后所对应的颜色。
为了实现上述的参数，本文作者设计了单晶硅超表面，从材料角度看，硅材料性质稳定，而且和CMOS技术兼容，符合大批量生产和长时间耐用性的要求。此外，硅的高折射率使得高性能结构色的简单结构设计成为可能，这对于低成本的纳米制造至关重要，并且单晶硅的损耗低，利于实现高亮度的结构色。如图2（a）所示，该结构由硅纳米圆柱和氧化铝基底组成，通过加入折射率匹配层（DMSO溶液或PMMA封装层），使得颜色的鲜艳程度大幅提升。研究团队在商用silicon on sapphire (SOS) wafer上制备样品，实验色域面积达到了181.8% 的sRGB, 135.6%的Adobe RGB, 以及97.2%的Rec.2020，如图2(b)所示。作者利用折射率匹配层抑制了基底的反射，与Kerker条件类似，电偶极共振与磁偶极共振之间的相消干涉将进一步减少主反射峰外的不理想反射。与磁偶极子相比，电偶极子共振更靠近边界，对环境折射率变化更敏感。因此，折射率匹配层可以将电偶极子共振推到磁偶极子共振，从而缩小反射光谱的FWHM。研究团队制备了108个色块与汉字“福”对结构色进行展示，如图2（c）-（n）所示，加入折射率匹配层DMSO溶液后颜色的饱和度和鲜艳度都得到了大幅的提高。
除了高反射率、窄FWHM、广色域、大规模可制造性和长时间耐用性之外，空间分辨率也是结构色的另一个关键参数，基于TiO2的结构色依赖于谐振的影响，空间分辨率被限制到了104 dpi。而硅材料由于高折率的特性，使其具有了提高空间分辨率的潜能。为了验证硅超表面结构色的分辨率，研究人员制备了3×3、2×2的硅圆柱阵列以及 “凤凰”和“彩虹”图案，如图3所示。图3(b)总结了黄色、绿色、蓝色和紫色相应像素图案的结构颜色。虽然每个像素单元的数量从9个减少至4个，但像素颜色仍然保持的很好。从“凤凰”和“彩虹”的图案可以明显看出，尽管像素单元的数量从5×5减少至2×2，图案的颜色并没有明显的减弱。显微镜图像显示，即使接近衍射极限，仍然可以分辨出不同的颜色。图3中的小像素尺寸、颜色均匀性和颜色可分辨性证实了硅超表面可以产生具有衍射极限分辨率的结构色。
图3：全介质结构色空间分辨率的验证。
最后，研究人员展示了一个“孔雀”的微观彩色图像来演示任意结构色图案的制备，如图4所示。当样品在显微镜下被白光照射时，在图4(b)中可以清楚地看到绿色、蓝色和紫色等颜色均匀、明显的“孔雀”图像。加入DMSO溶液后，“孔雀”立即改变，图案变得更加鲜明和富有活力。对比图4(b)和图4(c)，很容易看出彩色图像是可以动态切换的。同时，DMSO溶液中图案的背景几乎是完全黑暗的，这也是背景反射减少的直接证明。研究人员指出折射率匹配层并不局限于DMSO之类的溶液。它也适用于液晶或固态材料。图4(d)显示了用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)封装后的“孔雀”的图像。结果与图4(c)基本一致。
图4：硅超表面结构色的全彩展示（a）“孔雀”图案的SEM表征。（b）和（c）为“孔雀”图案分别在空气和DMSO溶液中的颜色。（d）PMMA封装之后 “孔雀”图案的颜色。
论文中，作者提出并用实验证明了一种由Si超表面产生的新型结构色。通过应用折射率匹配层，Si超表面结构色可以具有一系列独特的性质，即高反射率、窄FWHM、背景反射可忽略等。色域面积达到了97.2%的Rec.2020。同时将空间分辨率提高到至衍射极限，不影响色彩的均匀性和展示。由于纳米结构完全由硅构成，自然继承了硅光子学的大规模可制造性和长时间稳定性的特点。Si超表面首次实现了优异结构色的所有关键参数。（哈工大新闻网 编辑 谢梁晖）
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-15773-0
