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  在大數據和人工智能背景下，信息安全扮演著越來越重要的角色。通過外界刺激實現多重防偽功能的材料受到廣泛的關注。其中可被裸眼識別且難以仿制的光學防偽(包括結構生色和熒光等材料的應用)，在我們的日常生活中起著越來越重要的作用。近日，大連理工大學武素麗教授和南開大學李希艷教授合作設計了一種具有三重光學防偽性能的復合結構：將親水修飾的上轉換納米顆粒（M-UCNP）集成在具有最優禁帶反射強度的雙層反蛋白石光子晶體（IOPC）薄膜的表面制備了雙層IOPC/M-UCNP。IOPC的光子禁帶(PSB)可以對特定波長的光進行布拉格反射，如圖1所示，設計的雙層IOPC結構不僅可以對自然光進行調制產生“Janus”結構色，還可以對結構表面的M-UCNPs實現熒光增強，使上轉換圖案在近紅光激發下被全部點亮。相關工作以“Upconversion Nanoparticle-Integrated Bilayer Inverse Opal Photonic Crystal Film for the Triple Anticounterfeiting”為題發表在國際期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

圖1 IOPC/M-UCNP三重防偽應用示意圖

  雙層IOPC是由光子禁帶（PSB₁）位于M-UCNPs綠色熒光（540 nm）的540層和光子禁帶（PSB₂）位于M-UCNPs激發波長（808 nm）的808層構成，將沉積有M-UCNPs的一側定義為結構正面。如圖2a所示，基于布拉格反射產生的結構色只能在鏡面角下觀察，因此在結構正面，光子禁帶位于近紅外(NIR)區域的808層對樣品的反射結構色沒有貢獻，只表現為540層的顏色，即從綠色到藍色的角度依存變色(圖2b)。在結構背面，根據課題組之前的工作（Sci China Mater 2021, 64(2): 420–429），808層的PSB₂位于NIR區域，Mie散射共振導致的尖銳散射光譜將會產生的亮麗散射結構色。如圖2c所示，該結構色不需要在鏡面角下觀察，且表現出從紅色到藍色的角度依存變色(圖2d)。因此，雙層IOPC/M-UCNP結構兩側表現為具有不同觀察方式和顏色變色范圍的“Janus”結構色(圖2e)。

圖3 IOPC/M-UCNP發光增強機理

  該結構對可見光調制產生的“Janus”顏色在黑暗環境下將失去防偽能力，而雙層IOPC對表面M-UCNPs的熒光增強賦予了其全天候的防偽能力。如圖3所示，當808 nm的激發光從樣品正面激發M-UCNPs時，其發出的綠色熒光（540 nm，Er³⁺的⁴S_3/2?⁴I_15/2）將被540層反射實現定向光提取。當激發光繼續向下傳播時，與激發波長匹配(808 nm, ⁴I_9/2?⁴F_3/2 of Nd³⁺)的808層將作為“二次激發源”向上反射激發光來增強激發光與M-UCNPs的相互作用。相比于空白樣品，該結構對M-UCNPs的綠色熒光實現了15.7倍的增強。增強的上轉換發光和雙面“Janus”結構色賦予了IOPC/M-UCNP膜三重防偽能力。

  最后，作者將制備的IOPC/M-UCNP結構進行圖案化并應用于錢幣防偽。如圖4所示，將圖案化后的復合模放置于港幣的透明窗部分，在可見光環境下，從結構正面觀察到生動的綠色，青色和藍色結構色圖案，從結構背面看到紅色、綠色和藍色的鏡像結構色圖案。在黑暗環境中，相比于未被激發的樣品，IOPC/M-UCNP表現出明亮的黃綠色熒光。三種模式提供了優異的防偽效果。

圖4 圖案化的IOPC/M-UCNP結構應用于港幣透明窗的三重防偽

  小結：作者巧妙地將IOPC和UCNP結合，獲得了具有三重防偽能力的IOPC/M-UCNP復合結構。該結構中的IOPC不僅可以對可見光進行調制產生不同變色范圍和觀察方式的“Janus”結構色，其與M-UCNPs的激發光和發射光同時匹配的雙光子禁帶還可以協同增強上轉換發光，賦予了該結構全天候防偽能力。該工作為結構色和熒光在光學防偽和信息安全等領域的實際應用提供了新的思路。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.1c25059