近日，南京大学现代工程与应用科学学院徐挺教授、陆延青教授团队研发出一种基于表面等离子体共振诱导旋光效应的超构表面，该超构表面能从频率、偏振、振幅等多个维度调控光，进而产生高饱和度、高效率、明暗连续的结构色。
不同于从有限波长带宽的光源中发出的彩色光，我们在生活中通常观察到的颜色源自于光与物体的相互作用。以最熟悉的染料和颜料为例，它们的化学分子构成能吸收自然光或白光光源中某个特定波段从而反射出余下的波段形成颜色。但是，这类有机染料的化学性质不稳定，暴露在较强的紫外线下或是极度潮湿的环境下，它们的颜色就会逐渐褪去。在实际应用中，染料和颜料也无法用在需要超高分辨率的彩显技术中。这一系列的问题使得研究学者们开始关注新的彩色显示技术。在大自然中，有很多十分鲜艳的颜色，实际上并不是色素造成的，而是源于光与微米级结构的相互作用。
受到这一启发，科学家们开始致力于利用人工微纳结构来产生颜色的研究。在过去的几十年里，集成电子学一直蓬勃地发展。如今光刻技术所能加工出的线条越来越小，这将革命性地缩小集成电路尺寸、提高半导体器件的集成度和使用品质。相比之下，典型的光学元器件由于受到光学衍射极限的限制，其尺寸一般仍处在几十倍甚至几百倍于波长的量级上，严重制约了光学器件的尺寸。在可见光频段，金属作为一种有损耗的媒介，其相应的介电常数也由复数形式表达。当特定波长的电磁波与金属微纳结构相互作用时，会激发一种存在于金属和介质交界面的电子集群振荡，称为"表面等离子体"。表面等离子体共振模式的产生使得金属微纳结构能透过或者反射某些频段的光从而产生颜色，这也为将金属材料用到显色器件中或是实现彩色打印技术提供了物理条件并成为近几年国际上的一个研究热点。然而金属材料在光波段的损耗会大大减少所产生的颜色的饱和度，影响色度范围的同时还降低了显色的亮度。除此之外，要实现超连续的颜色明暗度变化以及如何大批量的完成器件制备依旧是大挑战。
为了解决这些问题，研究团队提出并实验验证了一种表面浮雕式的全银结构。通过对结构尺寸参数的优化并采用了电子束曝光辅以模板翻转工艺的加工技术，高质量的纳米银结构得以制备，其产生的颜色具有高饱和度、广色域、高效率、明暗连续变化等优势。图1展示了纳米银结构的细节以及像素化超构表面用于显色的概念。
图1 (a)超构表面的俯视图，红色虚线表示一个仿真单元。(b)超构表面的斜视图。(c)像素化超构表面用于产生不同颜色的概念示意图。
与此前国内外的相关研究相比，本研究的最大亮点在于，不但可以产生高效率广色域范围的全颜色显示，还能同时实现高饱和度及明暗强度超连续变化的颜色。历史上著名的油画往往都呈现出了极强的层次感和立体感，这都得益于大师作家绘画技法及风格上的形体结实、结果精致，用较复杂的多层颜料堆叠的技法以使颜色明朗和谐，明暗过渡平滑。要想利用光与微纳结构的相互作用而绘出如此精致的"油画"，着实对结构的设计以及微纳加工的工艺来说都是一个不小的挑战。图2呈现了显微镜下拍摄的基于超构表面的微缩版"油画"。根据前述理论，超构表面每个像素所产生的颜色及明暗度就由纳米银槽阵列的尺寸和旋转方向决定，由于超广的色域和超连续的明暗变化，即必有一种纳米结构的尺寸和旋转方向组合使得该像素产生的颜色能近乎完美地接近于原作中同位置的颜色。由于本技术中颜色的产生还依赖于偏振片，那么检偏片本身也可以作为一种开关来实现图像的呈现与消失，在一定程度上，该技术可以用作对高价值物品的防伪，即在图像中编码某些特定文字或代码，而这些标识只有在一些特殊条件下才能呈现出来。
图2 (a)模板设计原则；(b)珍珠耳环的少女；(c)蒙娜丽莎；(d)岩间圣母，比例尺均为200 μm。
该工作提出了一种具有色散旋光效应的全银超构表面结构来产生高饱和度、高效率、广色域、明暗连续变化的结构色。模板翻转工艺使得该超构表面能被大批量的制备。该工作为科学与艺术之间架起了一座桥梁，也在纳米彩色打印、微纳显示、光学加密、隐写术等应用领域表现出了潜力。
相关成果被发表在《Nature Nanotechnology》期刊上，题为"Versatile full-colour nanopainting enabled by a pixelated plasmonic metasurface"（doi:10.1038/s41565-022-01256-4）。南京大学现代工程与应用科学学院副研究员宋茂文、封雷为共同第一作者，电子学院闫锋教授给予了重要建议，现工院博士后刘明泽、霍鹏程副研究员对本文亦有重要贡献。现工院徐挺教授和陆延青教授为通讯作者。本工作受到国家自然科学基金等项目支持，并得到人工微结构科学与技术协同创新中心、固体微结构物理国家重点实验室等平台的大力支持。