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硅纳米块阵列在亚波长分辨率下构造出生动的色彩显示

发布:Attosecond    |    2018-02-05 23:10    阅读:158
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研究人员已经证明可以利用单晶硅来进行精确的颜色控制。 他们的工作利用了硅材料的共振效应来实现高的反射率和颜色纯度。

一个来自大阪大学的研究小组开发了一种硅超材料表面,允许以衍射受限的分辨率进行彩色显示。 超材料阵列具有纳米级图案,其作用相当于是将光辐射转换成局部能量的天线。


纳米结构阵列在亮场光学显微镜下的图像。不同尺寸的硅纳米结构呈现出不同的反射颜色(比例尺为20μm)。图片承蒙Takahara等人提供。

该研究团队使用电子束光刻技术来制作掩模。 此类掩模的目的是保护硅表面免受后续的等离子刻蚀。

研究人员展示了通过此种天线的几何特征来完全控制生动色彩的呈现能力。 这种由单晶硅制成的纳米结构能够呈现出各种各校的颜色,这取决于每个天线的物理尺寸如何调整。 该团队还演示了白色光的形成过程。

每个像素都由双色信息来表征,并且可以通过改变入射光的偏振来控制该颜色信息。 像素的双色特性可能被用于创建重叠的图像以及最大化编码到阵列的特定区域中的信息。 即使作为单个元素来工作,像素也能产生单独的颜色,这有助于在没有颜色混合的情况下进行亚波长分辨率的编码。

为了展示亚波长的分辨率,研究人员在300×300纳米的单位区域内构造出了清晰可辨的黄色和蓝色棋盘图案。 这些结果意味着,基于该技术的应用程序可以在约85,000 dpi的分辨率下进行打印。


亚波长像素的效果展示。 由两种不同尺寸的交替纳米块组成的方格图案的扫描离子成像(a)和光学显微镜图像(b)。 由产生相应颜色的硅纳米结构(比例尺为2μm)构成的RGB字母的扫描离子图像(c)和光学显微镜图像(d)。 图片承蒙Takahara等人提供。

研究人员Yusuke Nagasaki表示:“我们的工作揭示了可以通过蚀刻单晶硅来获得可能的高精度。 我们的系统的反射率在其计算值与实验值之间的一致性,也支撑了我们对自己所创造的技术的鲁棒性的信心。”

在此之前,用来从结构几何学的角度来构造可调颜色的超材料,还都是基于金属材料的。 尽管在实现高分辨率方面是有效的,但金属材料在可见光波长下会遭受固有的能量损失,这使得利用金属来提升颜色的纯度是具有挑战性的。

研究人员Takahara Junichi说:“硅片的使用使我们能够同时实现高分辨率和高饱和度。 “能够以高分辨率来制造单个彩色像素的全电介质材料,无需混色,与金属材料相比具有明显的优势。”

大阪团队的色彩显示策略可以用来进一步拓展结构色彩设计的自由度。 这项工作在将其用于防伪技术,以及如3D显示等先进显示技术方面也展现出了潜力。

来源: https://www.photonics.com/Article.aspx?AID=63057

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