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寧波材料所開發出新型等離激元結構色材料及制備技術
作者:,日期:2020-06-24

  亞波長微納結構中,表面等離激元共振(SPR)吸收(或輻射)特定頻段的可見光,產生等離激元結構色。與傳統化學顏料、染料相比,等離激元結構色源于材料微納結構與光子的相互作用,因而可克服化學顯色組分復雜、環境污染且回收難、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、光信息存儲等領域應用廣泛。開展等離激元結構色材料、制備技術及顯色機理方面的研究,具有重要的科學研究意義和現實應用意義。

  人工金屬微納結構是產生等離激元結構色的實物載體。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)手段的等離激元結構色的研發遇到瓶頸,主要是制備樣品面積小、垂直集成兼容性差、材料的應用價值與制備材料所需設備的價值不匹配等,新技術研發勢在必行。其中采用直接生長法來構建等離基元結構色是最有希望的新一代技術,它不僅能實現大面積制備,而且能夠實現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,界面質量高,跟CMOS工藝和材料體系選擇相兼容,集成時容易實現有源化,為等離激元動態響應提供最底層的支撐。

  中國科學院寧波材料技術與工程研究所曹鴻濤團隊高俊華博士,研究生胡海搏、臧睿等利用金屬和陶瓷共濺射生長技術,制備了金屬納米線陣列/陶瓷復合超材料薄膜,納米線陣列的特征幾何尺寸可按需定制,工藝可控、可重復,如圖1所示。由于貴金屬/電介質界面數量巨大,從而引發了豐富的等離激元效應(金屬/電介質界面處電磁波與自由電子耦合產生共振);另外,區別于傳統的開放式結構(如微納加工制備的納米孔、柱、錐等),貴金屬/電介質界面不與空氣接觸,是封閉式的等離激元微納結構,客觀上為顯色穩定性和耐久性提供了結構保障。在此基礎上,以復合超材料薄膜層為基本要素(Building block),構建了透明襯底/Building block layer/超薄介質gap層/金屬鏡面層的等離激元結構色膜系結構,如圖1所示。通過制備參數作用下的材料微結構調控,在CMYK色坐標下實現了藍綠、黃和品紅基礎色。同樣地,在RGB色坐標下,實現了除紅綠藍三基色以外的豐富的顏色(圖1和2),色域寬且色彩飽滿,反射式顯色對角度不敏感,甚至可構建超黑吸收。所制備的樣品在大氣環境下放置一年后,無論是顏色外觀還是顯色光譜均保持穩定,凸顯了封閉式等離激元微納結構的優勢。為了提高紅色、綠色顯色的色彩飽和度,團隊也提出了改進型的膜系結構。通過光學理論模擬結合高通量樣品制備和參數提取,結果表明,新型等離激元結構顯色源于納米微腔的多模、多階駐波的形成,通過調控等離激元微納結構參數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生反射式顯色。該研究所構建的結構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,可導電可絕緣),圖2展示了實驗室設備條件下制得的幅面10cm×10cm的樣品,鑒于磁控濺射沉積設備是半導體、光學膜工業常用的成熟裝置,所以,研發的制備技術有望進行工業放大,利于加速推動等離激元材料的應用開發進程。

  該項研究與寧波大學、上海同步輻射光源開展了緊密的合作,相關工作發表在Advanced Functional Materials, 2020, 2002287上(論文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202002287)。以上工作得到浙江省萬人計劃科技創新領軍人才、浙江省自然科學基金和寧波市科技創新團隊計劃等項目的支持。 

圖1 Ag納米線陣列微結構的精細調控及新型等離激元結構色材料和制備

圖2 等離激元結構色板和大面積柔性樣品

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