利用微结构和光的相互作用，能够产生颜色，这就是结构色。由于结构色具有色彩丰富和稳定性好等优势，在打印、显示和信息等领域具有重要的应用价值。等离激元材料是实现结构色的重要材料，然而其光学损耗显著，影响了颜色的质量。而介质材料具有较高的折射率和较低的光学损耗，在衍射极限情况下利用微纳结构形成束缚的光学模式，可以作为一种替代品。华中科技大学光学与电子信息学院臧剑锋教授课题组，提出了一种用于产生结构色的全介质纳米环超表面（Nano Letters，2020, DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c03596）。

  这种超表面由二氧化硅衬底上的硅/二氧化硅纳米环阵列组成（图1a），通过电子束光刻（EBL）和电感耦合等离子体刻蚀（ICP）等标准微纳加工工艺即可制备。通过扫描电子显微镜（SEM）的表征，所制备的超表面结构单元尺度在100nm 到400nm（图1b）。通过调整超表面的结构参数，能够观察到丰富多彩的颜色（图1c）。

图1用于结构色的全介质超表面。（a）超表面的结构示意图。（b）超表面的扫描电子显微镜（SEM）图像。（c）明场光学显微照片中产生不同颜色的超表面。

  在之前的研究中，不同的颜色可以通过调节结构单元（例如纳米盘和纳米孔）的尺寸和结构单元之间的间距来产生。而对于这种纳米环超表面，除了对上述常规结构参数进行调节，还可以对纳米环的内径进行调节，这丰富了超表面的设计自由度，也为产生色域度更广的颜色提供了基础。通过物理场仿真能够揭示这种纳米环超表面的光学响应特性。纳米环结构在可见光照射下能够激发电谐振模式和磁谐振模式，在谐振频率附近具有很高的反射率（图2）。

图2 纳米环超表面的光学响应特性。（a）纳米环超表面的反射光谱仿真结果。（b）（c）（d） 谐振频率处电场强度空间分布。

  进一步研究表明，纳米环元结构的外径会显著影响反射光谱。当纳米环的外径从150 nm增加到200 nm时，磁谐振模式的频率从609 nm移动到738 nm，产生了129 nm的红移（图3a、图3b）。内径对反射光谱的影响相反，如所示。当内径从40 nm增加到90 nm时，磁共振模式的频率从740 nm移动到660 nm，产生了80 nm的蓝移（图3c、图3d）。

图3 纳米环外径和内径对反射光谱的影响。（a）具有不同外径的纳米环超表面的反射光谱的仿真结果和实验结果。（b）具有不同外径的纳米环超表面的的SEM图像和对应的明场光学显微照片。（c）具有不同内径的纳米环超表面的反射光谱的仿真结果和实验结果。（d）具有不同内径的纳米环超表面的的SEM图像和对应的明场光学显微照片。

  由于介电材料的损耗低于等离激元材料，这种纳米环超表面可以产生具有更高饱和度的颜色。如图4a所示，在国际照明委员会（CIE）1931色品图上，由纳米环超表面形成的色域占据了标准色空间（sRGB）的115％的面积。这种超表面在不同偏振态的光照射下具有相似的反射光谱，这表明这种超表面是偏振无关的（图4b）。最后，利用这种纳米环超表面，呈现由字母“ HUST”组成的图案（图4c）。

图4 （a）纳米环超表面的色域范围。（b）纳米环超表面的偏振反射光谱。（c）基于纳米环超表面的图案设计。

  本工作为用于产生颜色的全介质结构色超表面的研究和应用提供了理论基础和技术支持。这项工作得到了中国国家重点研究发展计划、国家自然科学基金等项目资助。

  原文链接：

  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.