The Innovation | 人工微纳米结构色的多彩世界
导 读
人工微纳米结构可以通过改变光的传播方向从而实现神奇的隐身功能，还能通过调控光波的相位和频率，形成绚丽多彩的颜色。结构色是微纳米尺寸的结构与入射光发生相互作用而产生的颜色。相比传统的着色染料和涂料，结构色具有高分辨、稳定、环保等优点。在伪装、防伪、信息存储等领域有广泛的应用前景（图1）。本文综述了近年来人工结构色的几种主要结构及应用，包括多层薄膜、F-P微腔、光子晶体、超表面等，并讨论了实现动态可调结构色的机理及应用。
图1 人工结构色及其应用
自从Leeuwenhoek发现了生物的微观结构，人类对于微纳结构的探索就从未停止。当结构的尺寸缩小到与可见光波长相当的微纳米级别，微结构与可见光波便可发生相互作用，从而形成绚丽多彩的颜色。相比传统的着色染料或涂料，微结构产生的颜色具有非常多的优良性质，例如高分辨率、高稳定性、环保等。这引发了科学家们极大的研究兴趣。近十几年来，研究人员不断探索出新型的微纳结构，以实现功能更多、应用更广、成本更低的结构色（图2）。
图2 人工结构色近年发展史
多层薄膜是我们最常见的一种结构，入射光在多层薄膜中产生干涉，不同波长的光由于干涉程度不同，从而形成绚丽的色彩，如生活中透明的肥皂泡在阳光下呈现出多彩的颜色。研究者使用薄膜沉积技术镀制多层薄膜结构，并通过改变薄膜的厚度来实现对颜色的调控（图3A）。有些多层膜结构本身就具备除了颜色调控之外的其他功能，如太阳能光热转化功能（图3B、C），使常规灰黑或深蓝色的高性能太阳能光热吸收器拥有更丰富的颜色选择，可应用在建筑节能和装饰等领域。
图3 多层膜结构色
基于Fabry-Perot（F-P）光学微腔型结构色也展现出了极大的应用潜力。这种金属-介质-金属（MIM）结构在颜色调控、色彩饱和度上具有优势，通过改变介质层的厚度便可调控结构的光谱吸收/反射峰位（图4A、B），从而获得丰富多彩的颜色。结合微纳加工技术，可将不同的F-P微腔按照图像颜色需求进行排列，获得高分辨率的微纳尺度结构色图像，如呈现经典油画作品向日葵（图4C）。
图4 F-P微腔型结构色
而随着微纳加工技术的日益精进，金属超表面结构与入射光的等离激元效应、导模谐振效应也已被广泛的研究和应用。通过设计可使微纳结构在产生颜色的同时具有伪装、防伪、信息加密、信息存储等功能。例如，非对称十字形的金属超表面结构可对不同偏振光有不同的响应，利用这种效应制备的微纳结构可在单个像素单元内同时存储两种光谱信息（图5A）。光栅型导模谐振结构也可通过调节光栅的结构参数获得不同的光谱（图5B）。同时，光栅结构对TM与TE偏振光具有不同光谱响应，而等离激元超表面结构也可实现从黑色到彩色的颜色调控（图5C）。
图5 金属超表面型结构色
常规的微纳结构参数在制备完成后是不可改变的，这限制了结构色在动态成像、动态显示等领域的应用。因此，研究者们将微纳结构与液晶、电化学、机械拉伸、热感应薄膜等技术相结合，实现了对结构色的实时动态调控。例如与传感器相结合制备出的仿生变色龙，可根据背景颜色来实时调控自身的色彩（图6B），使其与背景的颜色一致，达到实时伪装的效果。
图6 动态可调型结构色
总结和展望
本文综述了近年来人工微纳结构色的研究进展，对基于多层膜、F-P腔、光子晶体、超表面的结构色实现方法及其应用进行了总结。归纳了不同类型结构色的优缺点及其应用方向，分析了实现高分辨率、低成本结构色的难点，并展望了人工微纳结构色在伪装、防伪、信息存储等领域的应用前景。
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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00006-0
本文内容来自Cell Press 合作期刊The Innovation 第二卷第一期发表的Review文章“Artificial Structural Colors and Applications” (投稿: 2020-08-08；接收: 2020-11-15；在线刊出:2021-01-18)。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100081
引用格式：Xuan Z., Li J., Liu Q et al. Artificial Structural Colors and Applications. The Innovation. 2(1), 100081.
作者简介
王少伟，中科院上海技术物理研究所研究员，博士生导师，多项国家及省部级人才计划入选者，国家重点研发计划重点专项、上海市科学技术奖等评审专家。主要从事超材料、超表面的光场调控，微腔光子学，分光芯片及微型光谱仪应用，以及光谱技术的生物医学应用等方面的研究工作。主持973子专题和863等国家和省部级等项目，曾获2014国家自然科学二等奖（第四）、2011国家技术发明二等奖（第五）、2012中国专利优秀奖（第五）、2010年度上海市技术发明一等奖（第七）、2007年度上海市自然科学一等奖（第五），以及2019年度国际先进材料协会奖章（IAAM Medal）、2012年度“上海市科技系统青年五四奖章”、2009年度中国科学院卢嘉锡青年人才奖、2007年第六届饶毓泰基础光学奖等多项奖励与荣誉。发表Adv. Mater.和Nano Energy等SCI论文80余篇，他引1300余次；获国家发明专利授权53项（其中美国1项）。是Elsevier出版社Microelectronics Engineering学术期刊副主编及Nature Electronics等审稿人，在SPIE等重要国际会议上十多次作邀请报告或分会主席。
Email：wangshw@mail.sitp.ac.cn
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