​南京大学徐挺/陆延青最新《Nature Nanotechnology》：多功能全彩色纳米绘画!

染料和颜料可以吸收可见光谱中的某些波长并反射其余部分，是我们日常生活中最常用的呈现颜色的材料。然而，在高温下或暴露在强烈的紫外线下，它们的化学性质并不稳定而且色域非常有限。结构色由于具有饱和度高、永不褪色、颜色可控等神奇特性，成为解决染料和颜料障碍的替代方法。

什么是结构色？色素色是单一物质对光的吸收或反射后直观呈现出的颜色，而结构色则是一种大量有序结构对不同波长的光散射、衍射或干涉后产生的各种颜色。随着纳米加工技术的发展，纳米结构可以被精确地设计和制作。然而，因为金属损耗和表面粗糙度在可见区起着重要作用导致色域是有限的，光谱线宽仍然比较宽。当与低指数阻抗匹配层集成时，光谱线宽可以进一步缩小。然而，这种方法不能控制色彩亮度，这导致图像中没有明暗界限。

鉴于此，南京大学陆延青教授与徐挺教授团队展示了一种表面浮雕式的等离子体元表面，它同时结合了许多特征，其中包括高色彩饱和度、宽色域调色板、色差呈现和偏振可调。嵌入到构成超表面像素的光学厚银膜中的超浅纳米孔是通过可重复使用的模板剥离技术制造的，因此有可能实现低成本的大规模生产。作为概念验证，作者制作了几件元表面艺术品，具有逼真的印象，并对原始油画的纹理细节进行了微妙的渲染。除了纳米绘画的功能，光的偏振也提供了调整画面的可能性。通过精心安排不同方向的纳米孔，可以有选择地解密万花筒般的图像，而没有任何"串扰"效应。相关研究成果以题为“Versatile full-colour nanopainting enabled by a pixelated plasmonic metasurface”发表在最新一期《Nature Nanotechnology》上。

【像素化等离子体超表面的设计】

所提出的超表面的各个元像素包含嵌入光学厚银膜中的各向异性纳米孔阵列，如图1a所示。对于每个纳米孔径（图1b），长度(l)、宽度(w)和厚度(h)被优化为l =200nm，w =60nm和h =40nm。这种配置能够将对角线取向（相对于纳米孔径的长轴45°）的线性偏振(LP)可见光转换为其他偏振态。图1c示意性地说明了二维超表面像素阵列的滤色效果的概念。因此，所设计的超表面在光谱中表现出单一的尖锐反射峰，并在交叉线性偏振转换下高度抑制其他非共振波长的反射，从而显着提高色彩饱和度和色域。此外，光谱峰位置的线性可调性可以覆盖整个可见区域。

图 1. 表面浮雕银超曲面的示意图

【高色彩饱和度和广色域】

为了评估该超表面的颜色性能，作者首先通过频域有限元方法对交叉线性偏振转换下的反射光谱进行了数值研究。在实验中，色域大约达到了148%的sRGB空间和109%的Adobe RGB空间。更小的色域可以理解为更宽的光谱线宽和短波长处的意外反射率会降低颜色饱和度（图2a，b）。在交叉偏振转换下产生超锐反射光谱背后的物理机制：等离子体共振引起了我们的表面浮雕银超表面的这种双折射效应，蓝色曲线描绘的正交线性偏振之间的180°相位差表明实现了完整的90°光旋转（图2c）。离域和局部等离子体模式均存在该体系中，其中局域等离子体模式主导了旋光效应（图2d）。

图 2. 超表面的实验色调和理论基础

【明暗对比演示和等离子体素描】

所提出的表面浮雕等离子体超表面还可以独立控制颜色亮度。当LP光以α的旋转角度照射纳米孔径时，根据马吕斯定律，交叉偏振的反射率与cos2α成正比。因此，通过旋转纳米孔径的方向可以很容易地改变颜色亮度。图3a显示了具有从0到30°变化的不同方向的蓝色、绿色和红色像素的交叉偏振光谱的反射率。图3b显示了120个具有不同比例因子和定向纳米孔径的样品的光学图像照片。图3c显示了不同取向的纳米孔径之间分界的实验拍摄结果和放大的扫描电子显微镜(SEM)图像。图3d展示了一个专门设计和制造的超曲面的光学图像。本文的等离子体素描技术能够在物体表面生成具有超平滑灰度过渡的逼真图像，并在色彩亮度的色调中很好地提供细节层次，并呈现出立体感。

图 3. 具有连续颜色亮度调整的等离子体草图

【高性能彩绘一体化解决方案】

通过将色调和亮度信息编码到几何尺寸和方向变化的纳米孔径中，印刷图像能够在白色照明下实现高度饱和的全彩色呈现和立体图像印象。基于这一特点，作者设计了一种参数匹配方法来再现微型全彩画，如图4a所示。为了演示该等离子体纳米绘画技术，我作者选择了三幅著名的艺术品作为目标图像。图4b-d展示了三幅著名艺术作品《戴珍珠耳环的少女》、《蒙娜丽莎》和《圣母》的实验照片。画上丰富的细节都通过光影的对比得到了很好的再现。

图 4. 逼真的等离子体全彩纳米绘画

【偏振可调万花筒隐写术】

由于所提出的超表面由附着在光学厚银膜上的矩形银纳米孔径的周期性排列组成，因此可以通过改变入射或反射偏振态来轻松调整颜色性能的外观。这种特性为高级隐写术开辟了一条道路——一种可以将一幅图像隐藏在另一幅图像中的技术。为了演示具有万花筒彩色图像切换的等离子隐写技术，设计了各种花状图案，如图5a所示。图5b展示了在不同偏振器-分析器组合下实验拍摄的图像。作为一种新型的隐写术技术，它极大地增加了我们超表面的信息容量（图5c）与图案化超表面的动态光学性能（图5d）。

图 5. 隐写技术的实验概念验证

【小结】

本文提出了一种银纳米孔径超表面，它提供了具有出色色彩性能的多功能全彩色纳米绘画技术的前景。纳米孔径超表面支持离域和局部等离子体模式的激发。离域的可以产生超尖锐的反射光谱峰，从而导致高饱和度颜色的产生。作者结合了不同方向的纳米孔径来调节颜色特性，并模仿传统的素描和油画技术，以获得实验拍摄的微型图像，生动地展示照片级真实感和立体感。此外，仅当提供独特的偏振器-分析器组合时，才可以从图案化超表面编码和显示十种不同的信息状态，因此在隐写术和防伪技术方面具有巨大潜力。

封面来源：图虫创意