中科院：开发出等离子体结构色生成的新方法，应用范围非常广

来自中国科学院宁波材料技术与工程研究所(NIMTE)曹洪涛教授领导的一个研究小组，开发了一种新的垂直取向纳米腔阵列直接生长方法来产生等离子体结构色，该方法具有色域宽、色饱和度提高、在环境条件下具有良好的稳定性和大规模生产可扩展性等特点，其研究成果发表在《先进功能材料》期刊上。等离子体色作为传统颜料和染料的环保型替代品，具有高效、长期稳定、非光漂白等特点。

因此，它们在无背光显示、太阳能转换等新兴应用中起着至关重要的作用。然而，具有高着色质量和可操控自由度的大规模等离子体结构色简易制造技术仍有待提高。由中国科学院宁波材料技术与工程研究所的科学家提出了这项垂直定向纳米腔阵列的直接生长方法，以产生等离子体结构色。改进的堆叠结构由嵌入SiO2超材料积木层的Ag纳米线阵列、纳米级厚度的SiO2间隙和金属反射镜组成。

此外，整个堆积结构可以通过磁控溅射来制备，这是一种容易放大的沉积技术。特别地，纳米线阵列结构特征尺寸的纳米级调谐，与沉积参数以可控和可重复性的方式很好地耦合。通过引入Ag-Np金属陶瓷层，触发了更多的共振吸收。因此，随着颜色饱和度的提高，色域进一步扩展，甚至包括黑色。通过这种方式，可以在红、绿、蓝(RGB)以及青色、洋红、黄色、黑色(CMYK)颜色空间中实现全色调色板。

此外，无论是在刚性基板上还是在柔性基板上，大面积均匀的结构色，在空气环境中都表现出角度不敏感性和着色稳定性。其研究对等离子体颜色的产生技术、理论探索、材料制备进展和大面积应用具有一定的指导意义。等离子体结构色产生于光子与金属纳米结构之间的共振相互作用，已经在高端应用中得到了迅速的发展。然而，常用结构彩色材料和制备方法通常分别具有开放的等离子体纳米结构和有限的可扩展性。

新研究是一种基于Ag纳米线阵列/SiO_2复合超材料薄膜的新方案，该超材料薄膜具有亚波长封闭纳米结构，将介质间隙层和金属反射镜结合在一起。仅通过磁控溅射就可以简单地制备整个堆叠结构，而不需要任何其他步骤。具体地说，通过改变沉积参数，结构单元阵列的几何尺寸和亚10 nm周期参数可以以可控制和可重现的方式进行精细调谐。

通过实验和模拟，研究证明了垂直取向纳米腔阵列中的线间耦合等离子体横模，是如何控制可见波长多个纳米腔驻波共振的，从而在很宽的色域内产生包括明亮和饱和颜色在内的三原色。大面积和均匀的结构颜色，无论是在刚性基板上还是在柔性基板上，都表现出角度不敏感和空气稳定的特点。从更广泛的角度来看，这项研究表明材料方案和制造进展为等离子体色彩设计、理论探索和大规模制造提供了一个强大平台。

博科园｜研究/来自：中国科学院/宁波材料技术与工程研究所

参考期刊《先进功能材料》

DOI: 10.1002/adfm.202002287

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