甯波材料所研發新型等離激元結構色材料及制備技術
http://www.1718001.com 2020-06-29 15:21:23 甯波材料技術與工程研究所

  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,産生等離激元結構色。與傳統化學顔料、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複雜、環境汙染且回收難、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、防僞加密、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産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有希望的新一代技術,能實現大面積制備,並能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,爲等離激元動態響應提供底層的支撐。

  中国科学院甯波材料技術與工程研究所研究员曹鸿涛科研团队利用金属和陶瓷共溅射生长技术,制备了金属纳米线阵列/陶瓷复合超材料薄膜,纳米线阵列的特征几何尺寸可按需定制,工艺可控、可重复,如图1所示。由于贵金属/电介质界面数量大,引发了等离激元效应(金属/电介质界面处电磁波与自由电子耦合产生共振);区别于传统的开放式结构(如微纳加工制备的纳米孔、柱、锥等),贵金属/电介质界面不与空气接触,是封闭式的等离激元微纳结构,客观上为显色稳定性和耐久性提供了结构保障。在此基础上,以复合超材料薄膜层为基本要素(Building block),构建了透明衬底/Building block layer/超薄介质gap层/金属镜面层的等离激元结构色膜系结构,如图1所示。通过制备参数作用下的材料微结构调控,在CMYK色坐标下实现蓝绿、黄和品红基础色。同样地,在RGB色坐标下,实现了除红绿蓝三基色以外的丰富的颜色(图1和2),色域宽且色彩饱满,反射式显色对角度不敏感,甚至可构建超黑吸收。所制备的样品在大气环境下放置一年后,无论是颜色外观还是显色光谱均保持稳定,凸显了封闭式等离激元微纳结构的优势。为了提高红色、绿色显色的色彩饱和度,研究团队提出了改进型的膜系结构。通过光学理论模拟结合高通量样品制备和参数提取,结果表明,新型等离激元结构显色源于纳米微腔的多模、多阶驻波的形成,通过调控等离激元微纳结构参数和横向等离激元共振模间的电磁耦合,在可见光波段形成选频吸收进而产生反射式显色。该研究构建的结构色膜系在一个磁控溅射腔体中和室温条件下逐层沉积,衬底选择自由度高(可刚可柔,可导电可绝缘),图2展示了实验室设备条件下制得的幅面10cm×10cm的样品,鉴于磁控溅射沉积设备是半导体、光学膜工业常用的成熟装置,研发的制备技术有望进行工业放大,利于加速推动等离激元材料的应用开发进程。

  该研究与宁波大学、上海同步辐射光源开展合作,相关研究成果发表在Advanced Functional Materials上。研究工作得到浙江省万人计划科技创新领军人才、浙江省自然科学基金和宁波市科技创新团队计划等的支持。

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