寧波材料所等研發新型等離激元結構色材料及製備技術
2020-12-07 中國科學院寧波材料所等研發新型等離激元結構色材料及製備技術
2020-06-29 寧波材料技術與工程研究所
語音播報
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，產生等離激元結構色。與傳統化學顏料、染料相比，等離激元結構色源於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，在超高解析度顯示、光學生化傳感、防偽加密、光信息存儲等領域應用廣泛。開展等離激元結構色材料、製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產生等離激元結構色的實物載體。目前，基於模板法或微納加工（光刻、雷射直寫、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，主要是製備樣品面積小、垂直集成兼容性差、材料的應用價值與製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，採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，能實現大面積製備，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，為等離激元動態響應提供最底層的支撐。
中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員曹鴻濤科研團隊利用金屬和陶瓷共濺射生長技術，製備了金屬納米線陣列/陶瓷複合超材料薄膜，納米線陣列的特徵幾何尺寸可按需定製，工藝可控、可重複，如圖1所示。由於貴金屬/電介質界面數量大，引發了等離激元效應（金屬/電介質界面處電磁波與自由電子耦合產生共振）；區別於傳統的開放式結構（如微納加工製備的納米孔、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，以複合超材料薄膜層為基本要素（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繫結構，如圖1所示。通過製備參數作用下的材料微結構調控，在CMYK色坐標下實現藍綠、黃和品紅基礎色。同樣地，在RGB色坐標下，實現了除紅綠藍三基色以外的豐富的顏色（圖1和2），色域寬且色彩飽滿，反射式顯色對角度不敏感，甚至可構建超黑吸收。所製備的樣品在大氣環境下放置一年後，無論是顏色外觀還是顯色光譜均保持穩定，凸顯了封閉式等離激元微納結構的優勢。為了提高紅色、綠色顯色的色彩飽和度，研究團隊提出了改進型的膜繫結構。通過光學理論模擬結合高通量樣品製備和參數提取，結果表明，新型等離激元結構顯色源於納米微腔的多模、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。該研究構建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），圖2展示了實驗室設備條件下製得的幅面10cm×10cm的樣品，鑑於磁控濺射沉積設備是半導體、光學膜工業常用的成熟裝置，研發的製備技術有望進行工業放大，利於加速推動等離激元材料的應用開發進程。
該研究與寧波大學、上海同步輻射光源開展合作，相關研究成果發表在Advanced Functional Materials上。研究工作得到浙江省萬人計劃科技創新領軍人才、浙江省自然科學基金和寧波市科技創新團隊計劃等的支持。
論文連結
圖1.Ag納米線陣列微結構的精細調控及新型等離激元結構色材料和製備
圖2.等離激元結構色板和大面積柔性樣品
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，產生等離激元結構色。與傳統化學顏料、染料相比，等離激元結構色源於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，在超高解析度顯示、光學生化傳感、防偽加密、光信息存儲等領域應用廣泛。開展等離激元結構色材料、製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產生等離激元結構色的實物載體。目前，基於模板法或微納加工（光刻、雷射直寫、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，主要是製備樣品面積小、垂直集成兼容性差、材料的應用價值與製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，採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，能實現大面積製備，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，為等離激元動態響應提供最底層的支撐。
中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員曹鴻濤科研團隊利用金屬和陶瓷共濺射生長技術，製備了金屬納米線陣列/陶瓷複合超材料薄膜，納米線陣列的特徵幾何尺寸可按需定製，工藝可控、可重複，如圖1所示。由於貴金屬/電介質界面數量大，引發了等離激元效應（金屬/電介質界面處電磁波與自由電子耦合產生共振）；區別於傳統的開放式結構（如微納加工製備的納米孔、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，以複合超材料薄膜層為基本要素（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繫結構，如圖1所示。通過製備參數作用下的材料微結構調控，在CMYK色坐標下實現藍綠、黃和品紅基礎色。同樣地，在RGB色坐標下，實現了除紅綠藍三基色以外的豐富的顏色（圖1和2），色域寬且色彩飽滿，反射式顯色對角度不敏感，甚至可構建超黑吸收。所製備的樣品在大氣環境下放置一年後，無論是顏色外觀還是顯色光譜均保持穩定，凸顯了封閉式等離激元微納結構的優勢。為了提高紅色、綠色顯色的色彩飽和度，研究團隊提出了改進型的膜繫結構。通過光學理論模擬結合高通量樣品製備和參數提取，結果表明，新型等離激元結構顯色源於納米微腔的多模、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。該研究構建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），圖2展示了實驗室設備條件下製得的幅面10cm×10cm的樣品，鑑於磁控濺射沉積設備是半導體、光學膜工業常用的成熟裝置，研發的製備技術有望進行工業放大，利於加速推動等離激元材料的應用開發進程。
該研究與寧波大學、上海同步輻射光源開展合作，相關研究成果發表在Advanced Functional Materials上。研究工作得到浙江省萬人計劃科技創新領軍人才、浙江省自然科學基金和寧波市科技創新團隊計劃等的支持。
論文連結
圖1.Ag納米線陣列微結構的精細調控及新型等離激元結構色材料和製備
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實現非金屬高性能等離激元效應
本報訊（通訊員桂運安）中國科學技術大學教授羅毅、張群、江俊團隊在基於金屬氧化物半導體材料的等離激元學研究上取得突破性進展，他們採用最新發展的「電子—質子協同摻氫」策略，實現類金屬超高自由載流子濃度，從而獲得了強且可調的等離激元效應。該成果近日發表於《先進材料》。 -
科學家發現二維金屬中的等離激元
理想情況下，等離激元有著易於激發且不易衰減的特性。在傳統材料如金、銀等金屬中，由於強烈的朗道阻尼效應和等離激元與聲子散射作用，等離激元有著較低的空間限域性與極高的傳播損失率。這些問題使等離激元在電子信息、催化能源及生物技術等方面的應用均受到限制。因此，製備和發現性能優異的量子材料，使其具有良好的等離激元特性成為材料應用領域的重要研究方向。 -
進展 | 二維金屬中奇異的等離激元
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中科院寧波材料所研發新型材料,可模擬植物吸水、蒸騰、冷凝過程
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復旦課題組智能顯示結構色材料研究取得重要進展
據了解，結構色相比於傳統的化學色（如顏料、染料等著色）而言，具有色彩反射率高、飽和度高、不易褪色、環保等特點。然而，現有的自然界或人工合成結構色材料的反射類型基本為漫反射或鏡面反射，很少具有材料表面反射的第三種類型——逆反射，即反射光線射回光源方向的現象。並且，這些結構色材料通常只具有隨角異色或隨角不變色，難以同時兼有隨角異色和隨角不變色的特性。 -
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綜述 | 新型等離激元光學和過渡金屬二硫化物複合體系
除了這些基本的激子發光外，TMDs材料中一些缺陷態也可以形成一些獨特的發光性質。TMDs材料中的缺陷態相當於一個捕獲中心，在特定條件下，這些孤立的缺陷態就有可能形成單光子發光源。這種由二維材料單光子源和等離激元波導所構成的複合體系為片上傳導單光子光源提供了潛在的方案，這對量子信息的處理和量子網絡的構建極具意義。弱耦合作用區間的增強效應1. -
...吸光材料、軟硬重複可變的超材料、可降解「蠶絲蛋白骨釘」 ……
（來源：MaterialsViews） 廉價的高性能等離激元材料 三維雜化鋁納米結構陣列 等離激元（plasmonic）納米材料在入射光的照射下，產生局域表面等離激元共振現象，在材料表面形成很強的電場，因而，在光譜傳感器、太陽能利用等領域擁有廣泛的應用前景。 -
寧波材料所突破氮化物螢光粉綠色低成本合成技術
由於能源的緊缺，目前全世界節能產品的研發和替代已經成為未來產業發展的趨勢，而日常生活中的照明和顯示器件佔據了電能消費的大部分份額，因此LED（光電二極體）半導體照明技術已經成為世界各地競相發展的焦點。 -
物理學院馬仁敏課題組與合作者實現高性能鈉基等離激元波導與雷射
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寧波研發「透明金屬」電磁防護材料
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寧波材料所研發出「透明金屬」,可屏蔽99.99%以上電磁幹擾
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寧波材料所合成出前過渡族金屬碳化物二維納米晶體材料
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基於人們對遠場紅外物理學的科學認識，紅外探測技術的發展經過了漫長而曲折的歷程，直到上世紀60年代，光子型探測器才利用其材料特性優勢顯示出其在探測靈敏度上的巨大發展潛力。得益於分子束外延（MBE）技術的快速發展，半導體量子阱結構的材料質量、能帶工程調控自由度和大面積等優勢使得基於量子阱的紅外探測技術得到了極其廣泛的研究。 -
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