【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】亞波長(zhǎng)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(xué)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(xué)顯色組分復(fù)雜、環(huán)境污染且回收難、機(jī)械性能和抗老化性較差等問題，在超高分辨率顯示、光學(xué)生化傳感、防偽加密、光信息存儲(chǔ)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(jī)理方面的研究，具有重要的科學(xué)研究意義和現(xiàn)實(shí)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(shí)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(jià)值與制備材料所需設(shè)備的價(jià)值不匹配等，新技術(shù)研發(fā)勢(shì)在必行。其中，采用直接生長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)大面積制備，并能實(shí)現(xiàn)材料的垂直集成生長(zhǎng)。直接生長(zhǎng)法完全脫離了模板法和微納加工工藝的束縛，可全無機(jī)化，界面質(zhì)量高，跟CMOS工藝和材料體系選擇相兼容，集成時(shí)容易實(shí)現(xiàn)有源化，為等離激元?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)提供底層的支撐。
 

　　中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員曹鴻濤科研團(tuán)隊(duì)利用金屬和陶瓷共濺射生長(zhǎng)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(biāo)下實(shí)現(xiàn)藍(lán)綠、黃和品紅基礎(chǔ)色。同樣地，在RGB色坐標(biāo)下，實(shí)現(xiàn)了除紅綠藍(lán)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(duì)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(shì)。為了提高紅色、綠色顯色的色彩飽和度，研究團(tuán)隊(duì)提出了改進(jìn)型的膜系結(jié)構(gòu)。通過光學(xué)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(jìn)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(xué)膜工業(yè)常用的成熟裝置，研發(fā)的制備技術(shù)有望進(jìn)行工業(yè)放大，利于加速推動(dòng)等離激元材料的應(yīng)用開發(fā)進(jìn)程。
 

　　該研究與寧波大學(xué)、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(jì)劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、浙江省自然科學(xué)基金和寧波市科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃等的支持。