中科院：開發出等離子體結構色生成的新方法，應用範圍非常廣！

來自中國科學院寧波材料技術與工程研究所(NIMTE)曹洪濤教授領導的一個研究小組，開發了一種新的垂直取向納米腔陣列直接生長方法來產生等離子體結構色，該方法具有色域寬、色飽和度提高、在環境條件下具有良好的穩定性和大規模生產可擴展性等特點，其研究成果發表在《先進功能材料》期刊上。等離子體色作為傳統顏料和染料的環保型替代品，具有高效、長期穩定、非光漂白等特點。

因此，它們在無背光顯示、太陽能轉換等新興應用中起著至關重要的作用。然而，具有高著色質量和可操控自由度的大規模等離子體結構色簡易製造技術仍有待提高。由中國科學院寧波材料技術與工程研究所的科學家提出了這項垂直定向納米腔陣列的直接生長方法，以產生等離子體結構色。改進的堆疊結構由嵌入SiO2超材料積木層的Ag納米線陣列、納米級厚度的SiO2間隙和金屬反射鏡組成。

此外，整個堆積結構可以通過磁控濺射來製備，這是一種容易放大的沉積技術。特別地，納米線陣列結構特徵尺寸的納米級調諧，與沉積參數以可控和可重複性的方式很好地耦合。通過引入Ag-Np金屬陶瓷層，觸發了更多的共振吸收。因此，隨著顏色飽和度的提高，色域進一步擴展，甚至包括黑色。通過這種方式，可以在紅、綠、藍(RGB)以及青色、洋紅、黃色、黑色(CMYK)顏色空間中實現全色調色板。

此外，無論是在剛性基板上還是在柔性基板上，大面積均勻的結構色，在空氣環境中都表現出角度不敏感性和著色穩定性。其研究對等離子體顏色的產生技術、理論探索、材料製備進展和大面積應用具有一定的指導意義。等離子體結構色產生於光子與金屬納米結構之間的共振相互作用，已經在高端應用中得到了迅速的發展。然而，常用結構彩色材料和製備方法通常分別具有開放的等離子體納米結構和有限的可擴展性。

新研究是一種基於Ag納米線陣列/SiO_2複合超材料薄膜的新方案，該超材料薄膜具有亞波長封閉納米結構，將介質間隙層和金屬反射鏡結合在一起。僅通過磁控濺射就可以簡單地製備整個堆疊結構，而不需要任何其他步驟。具體地說，通過改變沉積參數，結構單元陣列的幾何尺寸和亞10 nm周期參數可以以可控制和可重現的方式進行精細調諧。

通過實驗和模擬，研究證明了垂直取向納米腔陣列中的線間耦合等離子體橫模，是如何控制可見波長多個納米腔駐波共振的，從而在很寬的色域內產生包括明亮和飽和顏色在內的三原色。大面積和均勻的結構顏色，無論是在剛性基板上還是在柔性基板上，都表現出角度不敏感和空氣穩定的特點。從更廣泛的角度來看，這項研究表明材料方案和製造進展為等離子體色彩設計、理論探索和大規模製造提供了一個強大平臺。

博科園｜研究/來自：中國科學院/寧波材料技術與工程研究所

參考期刊《先進功能材料》

DOI: 10.1002/adfm.202002287

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