Advanced Functional Materials:纳米尺度下方向可控的彩色扫描

对颜色的感知是人类从世界获取信息的重要途径之一。五彩缤纷的颜色极大地丰富了我们的日常生活,五光十色、绚丽缤纷的大千世界是大自然赋予我们的最珍贵的礼物之一。研究表明,生动鲜艳的色彩来源于可见光与生物表面周期性微纳结构之间的相互作用。基于金属微纳结构中的表面等离激元结构色,彩色打印和显示的分辨率可以提高到每英寸100,000点(dpi),这是迄今为止最高的像素分辨率。并且相比于传统的化学色(如颜料或染料等着色),表面等离激元结构色具有长期稳定,不褪色和不漂白等优势。但是,当金属纳米结构的参数固定时,表面等离激元色彩就确定了。以可重构的方式调节颜色是实现动态显示的关键技术,这在我们的日常生活中以及信息领域中起着至关重要的作用。由于自然界的物质中光与物质相互作用弱,在纳米尺度下动态可控地大范围快速调节纳米结构的颜色是个巨大的挑战。

众所周知,大家可以通过物体的形状和光的特性(例如波长、偏振和强度)来实现信息的显示、存储和编码。这些自由度极大地增加了信息显示和编码的通道以及信息存储的容量。与图像整个颜色变化相比,动态彩色扫描可以为信息显示、存储和编码提供额外的自由度(例如扫描方向和扫描时间)。

陈建军教授课题组提出利用激光在水中产生微米气泡(Adv. Opt. Mater. 2017, 5, 1600545),通过控制激光移动速度和移动方向在金属纳米结构中实现了时间可控、方向可控的表面等离激元彩色扫描。在自然界中,变色龙可逐渐改变肤色适应环境来躲避捕食者,非常擅长伪装。为了模拟变色龙随环境变色功能,陈建军课题组采用聚焦离子束技术银膜上制备了纳米孔阵列结构,并用银纳米孔阵列结构构建了微米变色龙,整个变色龙的尺寸小于人的头发丝的截面尺寸,如图1a所示。银纳米孔阵列的周期大约为320 nm,纳米孔的直径只有140 nm。银纳米孔阵列支持表面等离激元共振,从而产生表面等离激元结构色。由于表面等离激元对周围环境的折射率非常敏感,当变色龙样品周围环境从微米气泡(或空气)变成水时,样品透过谱的峰值波长移动约150nm,远大于之前报道的电光、全光、热光、磁光等调节方式的波长移动量。对应地,变色龙颜色发生从紫色到黄色的巨大变化,如图1c-e所示。这种巨大的颜色变化是以前的电光,全光,热光和磁光调节方式达不到的。

图1. a)由亚波长纳米孔制成的仿生变色龙的扫描电子显微镜(SEM)图像。 插图显示放大的SEM图像(比例尺:500 nm)。 封装之前和之后在c)空气,d)带空气孔的水和e)水环境下变色龙的光学图像。

陈建军课题组通过控制激光(波长532nm)的移动方向,他们展示了变色龙身体颜色从左到右(图2)或从上到下的颜色变化。通过控制激光的扫描速度,可改变变色龙身体颜色的变化时间。最短扫描时间(~10s)约为最近报道的利用镁的氢化和脱氢反应实现表面等离激元彩色扫描时间(18小时)的1.2×10-4倍。这种时间和方向可控的彩色扫描提供了额外的自由度(扫描时间和扫描方向),在信息显示、安全、存储和编码中具有潜在的应用。相关研究成果以”Direction-Controllable Plasmonic Color Scanning by Using Laser-Induced Bubbles”为题,在线发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202008579)上。

图2. 基于激光诱导气泡的方向和时间可控的等离激元彩色扫描。红色箭头指示扫描线的位置。