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  利用微結構和光的相互作用，能夠產生顏色，這就是結構色。由于結構色具有色彩豐富和穩定性好等優勢，在打印、顯示和信息等領域具有重要的應用價值。等離激元材料是實現結構色的重要材料，然而其光學損耗顯著，影響了顏色的質量。而介質材料具有較高的折射率和較低的光學損耗，在衍射極限情況下利用微納結構形成束縛的光學模式，可以作為一種替代品。華中科技大學光學與電子信息學院臧劍鋒教授課題組，提出了一種用于產生結構色的全介質納米環超表面（Nano Letters，2020, DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c03596）。

  這種超表面由二氧化硅襯底上的硅/二氧化硅納米環陣列組成（圖1a），通過電子束光刻（EBL）和電感耦合等離子體刻蝕（ICP）等標準微納加工工藝即可制備。通過掃描電子顯微鏡（SEM）的表征，所制備的超表面結構單元尺度在100nm 到400nm（圖1b）。通過調整超表面的結構參數，能夠觀察到豐富多彩的顏色（圖1c）。

圖1用于結構色的全介質超表面。（a）超表面的結構示意圖。（b）超表面的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。（c）明場光學顯微照片中產生不同顏色的超表面。

  在之前的研究中，不同的顏色可以通過調節結構單元（例如納米盤和納米孔）的尺寸和結構單元之間的間距來產生。而對于這種納米環超表面，除了對上述常規結構參數進行調節，還可以對納米環的內徑進行調節，這豐富了超表面的設計自由度，也為產生色域度更廣的顏色提供了基礎。通過物理場仿真能夠揭示這種納米環超表面的光學響應特性。納米環結構在可見光照射下能夠激發電諧振模式和磁諧振模式，在諧振頻率附近具有很高的反射率（圖2）。

圖2 納米環超表面的光學響應特性。（a）納米環超表面的反射光譜仿真結果。（b）（c）（d） 諧振頻率處電場強度空間分布。

  進一步研究表明，納米環元結構的外徑會顯著影響反射光譜。當納米環的外徑從150 nm增加到200 nm時，磁諧振模式的頻率從609 nm移動到738 nm，產生了129 nm的紅移（圖3a、圖3b）。內徑對反射光譜的影響相反，如所示。當內徑從40 nm增加到90 nm時，磁共振模式的頻率從740 nm移動到660 nm，產生了80 nm的藍移（圖3c、圖3d）。

圖3 納米環外徑和內徑對反射光譜的影響。（a）具有不同外徑的納米環超表面的反射光譜的仿真結果和實驗結果。（b）具有不同外徑的納米環超表面的的SEM圖像和對應的明場光學顯微照片。（c）具有不同內徑的納米環超表面的反射光譜的仿真結果和實驗結果。（d）具有不同內徑的納米環超表面的的SEM圖像和對應的明場光學顯微照片。

  由于介電材料的損耗低于等離激元材料，這種納米環超表面可以產生具有更高飽和度的顏色。如圖4a所示，在國際照明委員會（CIE）1931色品圖上，由納米環超表面形成的色域占據了標準色空間（sRGB）的115％的面積。這種超表面在不同偏振態的光照射下具有相似的反射光譜，這表明這種超表面是偏振無關的（圖4b）。最后，利用這種納米環超表面，呈現由字母“ HUST”組成的圖案（圖4c）。

圖4 （a）納米環超表面的色域范圍。（b）納米環超表面的偏振反射光譜。（c）基于納米環超表面的圖案設計。

  本工作為用于產生顏色的全介質結構色超表面的研究和應用提供了理論基礎和技術支持。這項工作得到了中國國家重點研究發展計劃、國家自然科學基金等項目資助。

  原文鏈接：

  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.