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　　近(jin)日，哈(ha)工大（深(shen)圳）“微(wei)納(na)光電(dian)信(xin)息系(xi)統理論與技術”工信(xin)部重點實驗室中(zhong)心團隊設計了高(gao)性(xing)能的(de)(de)全介(jie)質結構色，通過新途徑在空間分辨(bian)率、可(ke)制造性(xing)、反射(she)率、半(ban)高(gao)寬(kuan)和CIE色域(yu)面積5個顏(yan)色關鍵性(xing)能參(can)數上同時實現了突(tu)破。實驗色域(yu)面積達(da)到了181.8% 的(de)(de)sRGB, 135.6%的(de)(de)Adobe RGB, 以及97.2%的(de)(de)Rec.2020。

　　圖1：不同結構色技術在空間分辨(bian)率、可制造(zao)性(xing)、反射率、半高寬(kuan)比值(zhi)和色域面積參數上的對比。

　　該創(chuang)新研(yan)究利用(yong)(yong)折射率匹配層與單晶硅超表面相(xiang)結(jie)合，實現了結(jie)構色5項參數的(de)一體化突破，這(zhe)一進展有(you)望為結(jie)構色在動態(tai)顯示、光(guang)學安全和信息(xi)存(cun)儲(chu)等領域的(de)商業(ye)化應用(yong)(yong)帶(dai)來新途徑。研(yan)究成果在線(xian)發(fa)表在《自然·通(tong)訊》（Nature Communications）期刊上。哈工大（深圳）材料(liao)科學與工程學院(yuan)2017級博士生楊文宏為第一作者，哈爾濱工業(ye)大學（深圳）肖(xiao)淑(shu)敏教(jiao)(jiao)授和香港理工大學蔡定平（Din-Ping Tsai）教(jiao)(jiao)授為共同通(tong)訊作者。

　　據了解，顏(yan)(yan)色(se)(se)起源于自(zi)然界中(zhong)光與物質的相互作(zuo)用，在人(ren)類(lei)的世界中(zhong)扮演了很重要的角色(se)(se)。其中(zhong)最常(chang)見(jian)的就(jiu)是顏(yan)(yan)料和染料，通(tong)過吸收(shou)特定光的特性產生可見(jian)光范圍內的不同顏(yan)(yan)色(se)(se)，但這樣的顏(yan)(yan)色(se)(se)通(tong)常(chang)色(se)(se)彩鮮(xian)艷度低，色(se)(se)域面(mian)積小(xiao)，并且空間分辨(bian)率低。

　　為了解決這些問題，對不同材料微納(na)結(jie)構(gou)的設(she)計實(shi)(shi)現了結(jie)構(gou)色(se)等(deng)技術領域的發展，其(qi)中(zhong)一(yi)個重要的方法就(jiu)是設(she)計實(shi)(shi)現基于等(deng)離子體的結(jie)構(gou)色(se)，利用光與等(deng)離子體納(na)米(mi)結(jie)構(gou)的相互作用，可(ke)以(yi)實(shi)(shi)現覆蓋可(ke)見光范圍的鮮(xian)艷結(jie)構(gou)色(se)，并(bing)且分辯(bian)率(lv)達(da)到了光學衍(yan)射極限(xian)。另一(yi)個重要的途徑就(jiu)是利用全介(jie)質材料實(shi)(shi)現的結(jie)構(gou)色(se)，通常全介(jie)質結(jie)構(gou)色(se)會比等(deng)離子體結(jie)構(gou)色(se)更鮮(xian)艷生動，色(se)域面積更大。

　　最近(jin)，研(yan)(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)利用(yong)液晶(jing)材(cai)(cai)料、微流通道、相變材(cai)(cai)料和(he)增益材(cai)(cai)料等實現(xian)了(le)結(jie)(jie)構色(se)(se)在動態調(diao)控領(ling)域(yu)(yu)的(de)突破。盡管上述(shu)的(de)結(jie)(jie)構色(se)(se)取得(de)了(le)一定的(de)進展和(he)突破，但(dan)(dan)在實際的(de)色(se)(se)彩顯(xian)示(shi)、分(fen)子探測、光學安全與存儲(chu)應(ying)用(yong)中(zhong)(zhong)還(huan)是受到一定限制，這是因(yin)為(wei)這些(xie)結(jie)(jie)構色(se)(se)技術(shu)只(zhi)能(neng)達到上述(shu)5個關(guan)鍵參(can)數(shu)中(zhong)(zhong)的(de)一個或幾個。其中(zhong)(zhong)等離子體結(jie)(jie)構色(se)(se)可以達到亞(ya)波長(chang)的(de)分(fen)辨率，但(dan)(dan)是受制于(yu)自身的(de)損耗使(shi)得(de)色(se)(se)彩較(jiao)為(wei)暗淡(dan)，色(se)(se)域(yu)(yu)面積小。而全介質(zhi)結(jie)(jie)構色(se)(se)，例如TiO2可以實現(xian)高亮度和(he)廣色(se)(se)域(yu)(yu)的(de)結(jie)(jie)構色(se)(se)，但(dan)(dan)空(kong)間(jian)分(fen)辨率低。目前還(huan)沒有結(jie)(jie)構色(se)(se)的(de)設計可以同時滿足這5個關(guan)鍵性(xing)能(neng)參(can)數(shu)，該研(yan)(yan)究(jiu)工作設計并用(yong)實驗實現(xian)了(le)5個顏(yan)色(se)(se)關(guan)鍵參(can)數(shu)的(de)同時突破。

　　創新研究

圖2：廣色(se)域結構色(se)的(de)(de)實(shi)現(xian)與展示(shi)(shi)（a）單晶硅超(chao)表面(mian)的(de)(de)結構和(he)工作原理示(shi)(shi)意(yi)圖。（b）硅超(chao)表面(mian)結構色(se)在(zai)(zai)空氣（??）和(he)DMSO溶(rong)液（★）中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)實(shi)驗色(se)域。（c）和(he)（d）為實(shi)驗記錄的(de)(de)108個(ge)色(se)塊分別在(zai)(zai)空氣和(he)DMSO中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)顏色(se)。（e）-（i）實(shi)驗制備(bei)的(de)(de)漢字“福”在(zai)(zai)空氣中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)顏色(se)（j）-（n）加入(ru)折射率匹配(pei)層后所(suo)對應的(de)(de)顏色(se)。

　　為(wei)了實現上述(shu)的(de)參(can)數，肖淑敏(min)教授團隊設計了單晶硅超(chao)表面(mian)，從材料角度看，硅材料性質穩定，而且和(he)CMOS技術兼(jian)容(rong)，符(fu)合大批量生產(chan)和(he)長(chang)時間耐用性的(de)要求。

　　此外，硅的(de)(de)高(gao)折射率使得(de)高(gao)性能結構(gou)色的(de)(de)簡單結構(gou)設計成(cheng)為(wei)可能，這對于低(di)成(cheng)本的(de)(de)納米(mi)(mi)制(zhi)造至關重(zhong)要，并且(qie)單晶硅的(de)(de)損耗低(di)，利于實現高(gao)亮度(du)的(de)(de)結構(gou)色。如圖2（a）所(suo)示，該結構(gou)由硅納米(mi)(mi)圓柱和氧(yang)化鋁基底組成(cheng)，通過(guo)加(jia)入折射率匹配層(ceng)（DMSO溶(rong)液或PMMA封裝層(ceng)），使得(de)顏色的(de)(de)鮮艷程(cheng)度(du)大(da)幅(fu)提(ti)升(sheng)。研(yan)究團隊在商用(yong)silicon on sapphire （SOS） wafer上制(zhi)備樣品，實驗色域面(mian)積達到了181.8% 的(de)(de)sRGB, 135.6%的(de)(de)Adobe RGB, 以及(ji)97.2%的(de)(de)Rec.2020，如圖2（b）所(suo)示。

　　研究團隊利(li)用(yong)折射(she)(she)(she)率(lv)匹(pi)配層(ceng)抑制了基底的反(fan)射(she)(she)(she)，與Kerker條件類似，電(dian)(dian)(dian)偶(ou)(ou)(ou)極(ji)(ji)共(gong)振(zhen)(zhen)與磁(ci)(ci)偶(ou)(ou)(ou)極(ji)(ji)共(gong)振(zhen)(zhen)之間的相(xiang)消干涉將(jiang)進一步減(jian)少主反(fan)射(she)(she)(she)峰外(wai)的不理想反(fan)射(she)(she)(she)。與磁(ci)(ci)偶(ou)(ou)(ou)極(ji)(ji)子(zi)相(xiang)比，電(dian)(dian)(dian)偶(ou)(ou)(ou)極(ji)(ji)子(zi)共(gong)振(zhen)(zhen)更(geng)靠近邊界，對(dui)環(huan)境折射(she)(she)(she)率(lv)變化更(geng)敏感。因此(ci)，折射(she)(she)(she)率(lv)匹(pi)配層(ceng)可以將(jiang)電(dian)(dian)(dian)偶(ou)(ou)(ou)極(ji)(ji)子(zi)共(gong)振(zhen)(zhen)推(tui)到(dao)磁(ci)(ci)偶(ou)(ou)(ou)極(ji)(ji)子(zi)共(gong)振(zhen)(zhen)，從而縮小反(fan)射(she)(she)(she)光譜的FWHM。研究團隊制備了108個色(se)塊與漢(han)字“福”對(dui)結構色(se)進行展示，如圖2（c）-（n）所(suo)示，加(jia)入折射(she)(she)(she)率(lv)匹(pi)配層(ceng)DMSO溶(rong)液(ye)后顏(yan)色(se)的飽和度和鮮艷度都得到(dao)了大幅(fu)的提高。

圖3：全介質(zhi)結構色空間(jian)分辨(bian)率的驗(yan)證。

　　除了高(gao)反射(she)率、窄FWHM、廣(guang)色(se)域、大規(gui)模可(ke)制造(zao)性和(he)長(chang)時(shi)間(jian)耐(nai)用性之外，空(kong)(kong)間(jian)分(fen)辨(bian)率也是結(jie)(jie)構色(se)的另一個(ge)關鍵參數(shu)，基于(yu)TiO2的結(jie)(jie)構色(se)依賴(lai)于(yu)諧(xie)振的影響，空(kong)(kong)間(jian)分(fen)辨(bian)率被限制到了104 dpi。而硅材料由于(yu)高(gao)折率的特(te)性，使(shi)其具有了提高(gao)空(kong)(kong)間(jian)分(fen)辨(bian)率的潛能。

　　為了驗(yan)證硅超表面結構(gou)(gou)色(se)(se)(se)的(de)(de)(de)(de)分(fen)辨(bian)率，研究人(ren)員制(zhi)備(bei)了3×3、2×2的(de)(de)(de)(de)硅圓(yuan)柱陣列(lie)以(yi)(yi)及 “鳳凰”和(he)“彩虹(hong)”圖(tu)案，如圖(tu)3所(suo)示。圖(tu)3（b）總(zong)結了黃色(se)(se)(se)、綠色(se)(se)(se)、藍色(se)(se)(se)和(he)紫色(se)(se)(se)相(xiang)應像(xiang)素(su)圖(tu)案的(de)(de)(de)(de)結構(gou)(gou)顏色(se)(se)(se)。雖然(ran)(ran)每個像(xiang)素(su)單(dan)元(yuan)的(de)(de)(de)(de)數(shu)量從9個減(jian)少至4個，但像(xiang)素(su)顏色(se)(se)(se)仍然(ran)(ran)保持的(de)(de)(de)(de)很好。從“鳳凰”和(he)“彩虹(hong)”的(de)(de)(de)(de)圖(tu)案可以(yi)(yi)明(ming)顯看出，盡管像(xiang)素(su)單(dan)元(yuan)的(de)(de)(de)(de)數(shu)量從5×5減(jian)少至2×2，圖(tu)案的(de)(de)(de)(de)顏色(se)(se)(se)并沒有(you)明(ming)顯的(de)(de)(de)(de)減(jian)弱。顯微鏡(jing)圖(tu)像(xiang)顯示，即使接近衍射極限，仍然(ran)(ran)可以(yi)(yi)分(fen)辨(bian)出不同的(de)(de)(de)(de)顏色(se)(se)(se)。圖(tu)3中的(de)(de)(de)(de)小像(xiang)素(su)尺(chi)寸、顏色(se)(se)(se)均勻性(xing)和(he)顏色(se)(se)(se)可分(fen)辨(bian)性(xing)證實(shi)了硅超表面可以(yi)(yi)產(chan)生具(ju)有(you)衍射極限分(fen)辨(bian)率的(de)(de)(de)(de)結構(gou)(gou)色(se)(se)(se)。

圖(tu)4：硅超(chao)表(biao)面結構色(se)的全(quan)彩展示（a）“孔(kong)雀(que)”圖(tu)案的SEM表(biao)征。（b）和(he)（c）為“孔(kong)雀(que)”圖(tu)案分(fen)別(bie)在(zai)空氣和(he)DMSO溶液中的顏色(se)。（d）PMMA封裝之(zhi)后(hou) “孔(kong)雀(que)”圖(tu)案的顏色(se)。

　　最后，研究人員展示了一個“孔雀”的(de)(de)微(wei)觀彩色(se)(se)圖(tu)像來演(yan)示任(ren)意結構色(se)(se)圖(tu)案的(de)(de)制備(bei)，如圖(tu)4所示。當樣(yang)品(pin)在顯(xian)微(wei)鏡下被(bei)白光(guang)照射時，在圖(tu)4（b）中可以清楚地看到綠色(se)(se)、藍色(se)(se)和紫色(se)(se)等顏色(se)(se)均勻、明顯(xian)的(de)(de)“孔雀”圖(tu)像。加入(ru)DMSO溶液后，“孔雀”立即(ji)改變，圖(tu)案變得更(geng)加鮮(xian)明和富有活力。

　　對(dui)比圖(tu)(tu)4（b）和圖(tu)(tu)4（c），很容(rong)易(yi)看出(chu)彩色(se)圖(tu)(tu)像是(shi)(shi)可以(yi)動態切換的(de)。同時(shi)，DMSO溶液中圖(tu)(tu)案的(de)背景幾乎是(shi)(shi)完全黑暗(an)的(de)，這也是(shi)(shi)背景反射(she)減(jian)少的(de)直接證(zheng)明。研究人員指(zhi)出(chu)折射(she)率匹配層(ceng)并不(bu)局限(xian)于DMSO之類(lei)的(de)溶液。它也適用(yong)于液晶或固態材料(liao)。圖(tu)(tu)4（d）顯(xian)示(shi)了用(yong)聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）封(feng)裝后的(de)“孔雀”的(de)圖(tu)(tu)像。結果與圖(tu)(tu)4（c）基本(ben)一致。

　　在該(gai)項研究成果中，團隊提(ti)出并(bing)用實(shi)驗證明了一(yi)種由(you)Si超表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)產(chan)生的(de)(de)(de)(de)新型結(jie)構色。通(tong)過應用折(zhe)射率匹配層，Si超表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)結(jie)構色可(ke)以具有一(yi)系列獨特的(de)(de)(de)(de)性(xing)質，即高(gao)反(fan)射率、窄FWHM、背景反(fan)射可(ke)忽(hu)略等。色域面(mian)(mian)(mian)積達(da)到了97.2%的(de)(de)(de)(de)Rec.2020。同時將空(kong)間(jian)分(fen)辨率提(ti)高(gao)到至(zhi)衍射極(ji)限(xian)，不影(ying)響色彩(cai)的(de)(de)(de)(de)均勻性(xing)和展(zhan)示。由(you)于納米(mi)結(jie)構完全由(you)硅(gui)構成，自然繼承了硅(gui)光子學的(de)(de)(de)(de)大規模(mo)可(ke)制(zhi)造性(xing)和長時間(jian)穩定性(xing)的(de)(de)(de)(de)特點。Si超表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)首次實(shi)現了優異結(jie)構色的(de)(de)(de)(de)所有關(guan)鍵參數。