基于直接生長Ag納米線陣列微腔的等離激元結構色材料及制備技術
發布時間：2020-08-28 作者：harry 分享到：
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，垂直集成兼容性不理想，制備材料成本高等，新技術研發勢在必行。其中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，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、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，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。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。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。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。該研究所涉及的結構色膜系，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)，樣品幅面可達10 cm ×10 cm，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，其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。相關結果發表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202002287）上。
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