近日，南京大學現代工程與應用科學學院徐挺教授、陸延青教授團隊研發出一種基于表面等離子體共振誘導旋光效應的超構表面，該超構表面能從頻率、偏振、振幅等多個維度調控光，進而產生高飽和度、高效率、明暗連續的結構色。
不同于從有限波長帶寬的光源中發出的彩色光，我們在生活中通常觀察到的顏色源自于光與物體的相互作用。以最熟悉的染料和顏料為例，它們的化學分子構成能吸收自然光或白光光源中某個特定波段從而反射出余下的波段形成顏色。但是，這類有機染料的化學性質不穩定，暴露在較強的紫外線下或是極度潮濕的環境下，它們的顏色就會逐漸褪去。在實際應用中，染料和顏料也無法用在需要超高分辨率的彩顯技術中。這一系列的問題使得研究學者們開始關注新的彩色顯示技術。在大自然中，有很多十分鮮艷的顏色，實際上并不是色素造成的，而是源于光與微米級結構的相互作用。
受到這一啟發，科學家們開始致力于利用人工微納結構來產生顏色的研究。在過去的幾十年里，集成電子學一直蓬勃地發展。如今光刻技術所能加工出的線條越來越小，這將革命性地縮小集成電路尺寸、提高半導體器件的集成度和使用品質。相比之下，典型的光學元器件由于受到光學衍射極限的限制，其尺寸一般仍處在幾十倍甚至幾百倍于波長的量級上，嚴重制約了光學器件的尺寸。在可見光頻段，金屬作為一種有損耗的媒介，其相應的介電常數也由復數形式表達。當特定波長的電磁波與金屬微納結構相互作用時，會激發一種存在于金屬和介質交界面的電子集群振蕩，稱為"表面等離子體"。表面等離子體共振模式的產生使得金屬微納結構能透過或者反射某些頻段的光從而產生顏色，這也為將金屬材料用到顯色器件中或是實現彩色打印技術提供了物理條件并成為近幾年國際上的一個研究熱點。然而金屬材料在光波段的損耗會大大減少所產生的顏色的飽和度，影響色度范圍的同時還降低了顯色的亮度。除此之外，要實現超連續的顏色明暗度變化以及如何大批量的完成器件制備依舊是大挑戰。
為了解決這些問題，研究團隊提出并實驗驗證了一種表面浮雕式的全銀結構。通過對結構尺寸參數的優化并采用了電子束曝光輔以模板翻轉工藝的加工技術，高質量的納米銀結構得以制備，其產生的顏色具有高飽和度、廣色域、高效率、明暗連續變化等優勢。
與此前國內外的相關研究相比，本研究的最大亮點在于，不但可以產生高效率廣色域范圍的全顏色顯示，還能同時實現高飽和度及明暗強度超連續變化的顏色。歷史上著名的油畫往往都呈現出了極強的層次感和立體感，這都得益于大師作家繪畫技法及風格上的形體結實、結果精致，用較復雜的多層顏料堆疊的技法以使顏色明朗和諧，明暗過渡平滑。要想利用光與微納結構的相互作用而繪出如此精致的"油畫"，著實對結構的設計以及微納加工的工藝來說都是一個不小的挑戰。呈現了顯微鏡下拍攝的基于超構表面的微縮版"油畫"。根據前述理論，超構表面每個像素所產生的顏色及明暗度就由納米銀槽陣列的尺寸和旋轉方向決定，由于超廣的色域和超連續的明暗變化，即必有一種納米結構的尺寸和旋轉方向組合使得該像素產生的顏色能近乎完美地接近于原作中同位置的顏色。由于本技術中顏色的產生還依賴于偏振片，那么檢偏片本身也可以作為一種開關來實現圖像的呈現與消失，在一定程度上，該技術可以用作對高價值物品的防偽，即在圖像中編碼某些特定文字或代碼，而這些標識只有在一些特殊條件下才能呈現出來。
該工作提出了一種具有色散旋光效應的全銀超構表面結構來產生高飽和度、高效率、廣色域、明暗連續變化的結構色。模板翻轉工藝使得該超構表面能被大批量的制備。該工作為科學與藝術之間架起了一座橋梁，也在納米彩色打印、微納顯示、光學加密、隱寫術等應用領域表現出了潛力。
相關成果被發表在《Nature Nanotechnology》期刊上，題為"Versatile full-colour nanopainting enabled by a pixelated plasmonic metasurface"（doi:10.1038/s41565-022-01256-4）。南京大學現代工程與應用科學學院副研究員宋茂文、封雷為共同第一作者，電子學院閆鋒教授給予了重要建議，現工院博士后劉明澤、霍鵬程副研究員對本文亦有重要貢獻。現工院徐挺教授和陸延青教授為通訊作者。本工作受到國家自然科學基金等項目支持，并得到人工微結構科學與技術協同創新中心、固體微結構物理國家重點實驗室等平臺的大力支持。深度融合，推動園區產業向高端高新高質方向發展。
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