哈爾濱工業大學(深圳)這項創新成果“亮”瞭

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  近日,哈工大(深圳)“微納光電信息系統理論與技術”工信部重點實驗室中心團隊設計瞭高性能的全介質結構色,通過新途徑在空間分辨率、可制造性、反射率、半高寬和CIE色域面積5個顏色關鍵性能參數上同時實現瞭突破。實驗色域面積達到瞭181.8% 的sRGB, 135.6%的Adobe RGB, 以及97.2%的Rec.2020。

  圖1:不同結構色技術在空間分辨率、可制造性、反射率、半高寬比值和色域面積參數上的對比。

  該創新研究利用折射率匹配層與單晶矽超表面相結合,實現瞭結構色5項參數的一體化突破,這一進展有望為結構色在動態顯示、光學安全和信息存儲等領域的商業化應用帶來新途徑。研究成果在線發表在《自然·通訊》(Nature Communications)期刊上。哈工大(深圳)材料科學與工程學院2017級博士生楊文宏為第一作者,哈爾濱工業大學(深圳)肖淑敏教授和香港理工大學蔡定平(Din-Ping Tsai)教授為共同通訊作者。

  據瞭解,顏色起源於自然界中光與物質的相互作用,在人類的世界中扮演瞭很重要的角色。其中最常見的就是顏料和染料,通過吸收特定光的特性產生可見光范圍內的不同顏色,但這樣的顏色通常色彩鮮艷度低,色域面積小,並且空間分辨率低。

  為瞭解決這些問題,對不同材料微納結構的設計實現瞭結構色等技術領域的發展,其中一個重要的方法就是設計實現基於等離子體的結構色,利用光與等離子體納米結構的相互作用,可以實現覆蓋可見光范圍的鮮艷結構色,並且分辯率達到瞭光學衍射極限。另一個重要的途徑就是利用全介質材料實現的結構色,通常全介質結構色會比等離子體結構色更鮮艷生動,色域面積更大。

  最近,研究人員利用液晶材料、微流通道、相變材料和增益材料等實現瞭結構色在動態調控領域的突破。盡管上述的結構色取得瞭一定的進展和突破,但在實際的色彩顯示、分子探測、光學安全與存儲應用中還是受到一定限制,這是因為這些結構色技術隻能達到上述5個關鍵參數中的一個或幾個。其中等離子體結構色可以達到亞波長的分辨率,但是受制於自身的損耗使得色彩較為暗淡,色域面積小。而全介質結構色,例如TiO2可以實現高亮度和廣色域的結構色,但空間分辨率低。目前還沒有結構色的設計可以同時滿足這5個關鍵性能參數,該研究工作設計並用實驗實現瞭5個顏色關鍵參數的同時突破。

  創新研究


圖2:廣色域結構色的實現與展示(a)單晶矽超表面的結構和工作原理示意圖。(b)矽超表面結構色在空氣(