亞波長微納結(jié)構(gòu)中，表面等離激元共振(SPR)吸收(或輻射)特定頻段的可見光，產(chǎn)生等離激元結(jié)構(gòu)色。與傳統(tǒng)化學顏料、染料相比，等離激元結(jié)構(gòu)色源于材料微納結(jié)構(gòu)與光子的相互作用，因而可克服化學顯色組分復(fù)雜、環(huán)境污染且回收難、機械性能和抗老化性較差等問題，在超高分辨率顯示、光學生化傳感、防偽加密、光信息存儲等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。開展等離激元結(jié)構(gòu)色材料、制備技術(shù)及顯色機理方面的研究，具有重要的科學研究意義和現(xiàn)實應(yīng)用意義。

　　人工金屬微納結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生等離激元結(jié)構(gòu)色的實物載體。目前，基于模板法或微納加工（光刻、激光直寫、離子束刻蝕或納米壓印等）手段的等離激元結(jié)構(gòu)色的研發(fā)遇到瓶頸，主要是制備樣品面積小、垂直集成兼容性差、材料的應(yīng)用價值與制備材料所需設(shè)備的價值不匹配等，新技術(shù)研發(fā)勢在必行。其中，采用直接生長法來構(gòu)建等離基元結(jié)構(gòu)色是有希望的新一代技術(shù)，能實現(xiàn)大面積制備，并能實現(xiàn)材料的垂直集成生長。直接生長法完全脫離了模板法和微納加工工藝的束縛，可全無機化，界面質(zhì)量高，跟CMOS工藝和材料體系選擇相兼容，集成時容易實現(xiàn)有源化，為等離激元動態(tài)響應(yīng)提供最底層的支撐。

　　中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員曹鴻濤科研團隊利用金屬和陶瓷共濺射生長技術(shù)，制備了金屬納米線陣列/陶瓷復(fù)合超材料薄膜，納米線陣列的特征幾何尺寸可按需定制，工藝可控、可重復(fù)，如圖1所示。由于貴金屬/電介質(zhì)界面數(shù)量大，引發(fā)了等離激元效應(yīng)（金屬/電介質(zhì)界面處電磁波與自由電子耦合產(chǎn)生共振）；區(qū)別于傳統(tǒng)的開放式結(jié)構(gòu)（如微納加工制備的納米孔、柱、錐等），貴金屬/電介質(zhì)界面不與空氣接觸，是封閉式的等離激元微納結(jié)構(gòu)，客觀上為顯色穩(wěn)定性和耐久性提供了結(jié)構(gòu)保障。在此基礎(chǔ)上，以復(fù)合超材料薄膜層為基本要素（Building block），構(gòu)建了透明襯底/Building block layer/超薄介質(zhì)gap層/金屬鏡面層的等離激元結(jié)構(gòu)色膜系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。通過制備參數(shù)作用下的材料微結(jié)構(gòu)調(diào)控，在CMYK色坐標下實現(xiàn)藍綠、黃和品紅基礎(chǔ)色。同樣地，在RGB色坐標下，實現(xiàn)了除紅綠藍三基色以外的豐富的顏色（圖1和2），色域?qū)捛疑曙枬M，反射式顯色對角度不敏感，甚至可構(gòu)建超黑吸收。所制備的樣品在大氣環(huán)境下放置一年后，無論是顏色外觀還是顯色光譜均保持穩(wěn)定，凸顯了封閉式等離激元微納結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。為了提高紅色、綠色顯色的色彩飽和度，研究團隊提出了改進型的膜系結(jié)構(gòu)。通過光學理論模擬結(jié)合高通量樣品制備和參數(shù)提取，結(jié)果表明，新型等離激元結(jié)構(gòu)顯色源于納米微腔的多模、多階駐波的形成，通過調(diào)控等離激元微納結(jié)構(gòu)參數(shù)和橫向等離激元共振模間的電磁耦合，在可見光波段形成選頻吸收進而產(chǎn)生反射式顯色。該研究構(gòu)建的結(jié)構(gòu)色膜系在一個磁控濺射腔體中和室溫條件下逐層沉積，襯底選擇自由度高（可剛可柔，可導(dǎo)電可絕緣），圖2展示了實驗室設(shè)備條件下制得的幅面10cm×10cm的樣品，鑒于磁控濺射沉積設(shè)備是半導(dǎo)體、光學膜工業(yè)常用的成熟裝置，研發(fā)的制備技術(shù)有望進行工業(yè)放大，利于加速推動等離激元材料的應(yīng)用開發(fā)進程。

　　該研究與寧波大學、上海同步輻射光源開展合作，相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Functional Materials上。研究工作得到浙江省萬人計劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、浙江省自然科學基金和寧波市科技創(chuàng)新團隊計劃等的支持。

　　論文鏈接 

　　圖1.Ag納米線陣列微結(jié)構(gòu)的精細調(diào)控及新型等離激元結(jié)構(gòu)色材料和制備

　　圖2.等離激元結(jié)構(gòu)色板和大面積柔性樣品