基于直接生長Ag納米線陣列微腔的等離激元結(jié)構(gòu)色材料及制備技術(shù)
發(fā)布時間：2020-08-28 作者：harry 分享到：
人工金屬微納結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生等離激元結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)色的研發(fā)遇到瓶頸，主要是制備樣品面積小，垂直集成兼容性不理想，制備材料成本高等，新技術(shù)研發(fā)勢在必行。其中直接生長法來構(gòu)建等離基元結(jié)構(gòu)色是有希望的新一代技術(shù)，它不僅能實現(xiàn)大面積制備，而且能夠?qū)崿F(xiàn)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(zhì)量高，跟CMOS工藝和材料體系選擇相兼容，集成時容易實現(xiàn)有源化，為等離激元動態(tài)響應(yīng)提供底層的支撐。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所曹鴻濤、高俊華和合作者針對這一問題，利用金屬和陶瓷共濺射生長技術(shù)，制備了金屬納米線陣列/陶瓷復(fù)合超材料薄膜，納米線陣列的特征幾何尺寸可按需定制。由于貴金屬/電介質(zhì)界面數(shù)量巨大，從而引發(fā)了豐富的等離激元效應(yīng)(金屬/電介質(zhì)界面處電磁波與自由電子耦合產(chǎn)生共振)；另外，區(qū)別于傳統(tǒng)的開放式結(jié)構(gòu)(如微納加工制備的納米孔、柱、錐等)，貴金屬/電介質(zhì)界面不與空氣接觸，是封閉式的等離激元微納結(jié)構(gòu)，客觀上為顯色穩(wěn)定性和耐久性提供了結(jié)構(gòu)保障。在此基礎(chǔ)上，以復(fù)合超材料薄膜層為Building block，構(gòu)建了透明襯底/ Building block layer/超薄介質(zhì)gap層/金屬鏡面層的等離激元結(jié)構(gòu)色膜系結(jié)構(gòu)。通過制備參數(shù)作用下的材料微結(jié)構(gòu)調(diào)控，在CMYK色坐標(biāo)下實現(xiàn)了藍綠、黃和品紅基礎(chǔ)色。同樣地，在RGB色坐標(biāo)下，實現(xiàn)了包含紅綠藍三基色以外的豐富的顏色，反射式顯色對角度不敏感，甚至可構(gòu)建超黑吸收。所制備的樣品在大氣環(huán)境下放置一年后，無論是顏色外觀還是顯色光譜均保持穩(wěn)定。通過光學(xué)理論模擬結(jié)合高通量樣品制備和參數(shù)提取，結(jié)果表明，新型等離激元結(jié)構(gòu)顯色源于納米微腔的多模、多階駐波的形成，通過調(diào)控等離激元微納結(jié)構(gòu)參數(shù)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(chǎn)生反射式顯色。該研究所涉及的結(jié)構(gòu)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(dǎo)電可絕緣)，樣品幅面可達10 cm ×10 cm，鑒于磁控濺射沉積設(shè)備是半導(dǎo)體、光學(xué)膜工業(yè)常用的成熟裝置，其制備技術(shù)有望進行工業(yè)放大，利于加速推動等離激元材料的應(yīng)用開發(fā)進程。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202002287）上。
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