All-dielectric metasurface for high-performance structural color
——||导读||——
2020年4月，哈尔滨工业大学、香港理工大学、陕西大学等机构研究人员，在NATURE COMMUNICATIONS发表了题为“All-dielectric metasurface for high-performance structural color”的文章。
——||背景介绍||——
颜色产生于光于物质的相互作用，原本我们眼中看见的颜色大多是通过颜料上色而获得的，但是由于颜料本身的色域范围有限（色域的概念为颜色区域也可理解为我们可见的每一种颜色都可以在我们特定规定方式下找到一个对应的位置或编号。百度定义的色域为：色域描述的是由技术系统、设备、程序能够产生的色彩格式）（在此我对颜料的这个说法提出一点小小的质疑，我觉得颜料色域有限的意思应该是某一种制作工艺制作出来的颜料色域有限，而不是所有的颜料加在一起也满足不了整个色域），并且颜料的分子由于半径较大，达到 25 微米，所以它分辨率比较低。
图1. 色域图
采用纳米结构的结构色可以很好的解决分辨率低的问题，但于此同时传统的超表面结构色，诸如采用表面等离子体，Mie共振等方式实现结构色的方法虽然有了很大的提升，色域也都实现了比较大的覆盖，但都存在局限性，比如有些色域缺失（就是用某种结构无法产生全部的颜色），透过率比较低（毕竟之前的结构色很少有用全介质的），制作工艺复杂或者说加工难度大，反射率/透过率曲线的半高全宽率不够高等一系列问题。原文中还提到了一个UHDTV的问题，我还尚不清楚（原谅学弟入行时间太短）。所以文章的出发点就是针对这些问题各个击破。
——||创新点||——
该论文使用了了一种对Si纳米圆柱外部铺设一层matching layer的手段，极大的扩充了结构色呈现在色域上的范围。未使用matching layer之前的该结构最多只能覆盖色域sRGB的92%，而使用该结构之后可以覆盖色域sRGB的186%。
图2. 论文结构色特点。上图中蓝色虚线中围起来的区域是sRGB的范围，红色虚线围起来的范围是文中结构所能达到的范围。没加matching layer之前是对应的上图中的三角形标记，加了之后的色域是对应文中的五角星，通过这种直观的对比可以看出这一层的效果。
除色域覆盖广之外，该结构还有方便制作，分辨率高，稳定性好，反射率高，FWHW比例高，对入射角不敏感等特点。
——||图文一览||——
图3. 结构色微观超表面结构示意图。以Al2O3为基底（原文是蓝宝石，不知道两者有没有区别），以Si为原料制作超表面，高度固定为100nm，变量为圆柱的直径和周期间隔。
图4. 结构色性能指标。方便制作，分辨率高，稳定性好，反射率高，FWHW比例高
在此简单介绍一下我理解的半高全宽比例（FWHW ratio）的概念，如果不对请学长学姐理解并指正。对于结构色的产生，颜色我们希望越纯越好，所以在透过率曲线中，我们希望我们目标的波段的透过率曲线尽可能的高，而其他波段的透过率曲线尽可能的低，也就是在最后避免其他颜色混入对最终成色产生干扰。下面简单展示我仿真结果中的几个图，方便大家理解：
图5. 本人在金属SSP结构色仿真中的一些结果
对于左图与右图而言，左图的主要波峰只有一个，半高全宽就是这个主要波峰的半高全宽，而对于右图而言，出现了一个右侧的大波峰和左侧的一个小波峰，如果左侧小主峰的峰值增高，那就可能会超过右侧主峰的一半，这一部分对应的光波的光强也有很强的透过或反射现象，最终将影响成色效果。由两图比较可知成色差异较大。
为了解决半高全宽比较宽的问题，以及电偶极矩出现的波长和磁偶极矩出现的波长在数值上间隔比较大而出现的明显的双峰现象（我一直将这个叫双峰，学术名词不知道是啥），文章中提到了可以采用Kerker condition采用这种条件之后可以很明显的缩进电偶极矩的对应波长和磁偶极矩对应波长的距离。而文章中提到达成这种条件的手段就是通过减少折射率的对比度（reduced refractive index contrast），也就是将原本包裹Si柱的空气换成了折射率1.48的介质。在将空气层换为matching layer之后对应结构的反射率曲线的峰值波长也发生了平移。但对应电偶极矩与磁偶极矩的峰值波长确实更加接近。同时，两波长在数值上越接近，也会使得透过率曲线的波峰越窄，更有利于颜色呈现之后的单色性。
图6. 改善FWHW
前面提到为了拉近两个透过率峰值对应波长之间的距离，也是为了减小FWHW所以在原本的Si之上加了一层matching layer，文中采取了两种材料作为matching layer，一种是DMSO一种是PMMA，两种材料均是液体，n均为1.48，均采用注入的方式。（我不明白为啥非要用两种，可能是为了证明这种方法发普遍性，而不是这个材料自身的特殊性）。如上，左侧为未加之前结构对应的电偶极矩与磁偶极矩以及对应波长，右侧为加了matching layer之后原结构对应的电偶极矩和磁偶极矩的对应波长。下图为反射率曲线的对比图。
小结：可以看出，加入了matching layer之后FWHW确实得到了明显的改善（原文的数据是缩小了40%）。并且在其他参数都不变的情况下原结构对应的颜色在色域上也发生了转移。
图7. 成果示意图。（b）为未加matching layer的颜色图。（c）为加入DMSO（d）为加入PMMA可以明显看出颜色好像鲜艳了一些，并且和背景的对比更加明显
图8. 关于最小分辨率
由于很多TiO2结构色的设计是基于相邻原件之间的耦合共振作用产生的颜色机理，所以当原件的个数很少时其产生的颜色就会与周期性排列时产生很大的差别，为此文章测试了它的最小分辨率，发现当只有2*2或3*3时依然与周期性排列时成色效果差异不大。
——||结论||——
增加matching layer并选用Si的方法极大提高了结构色各方面性能。尤其是在色域上实现了扩充。并且matching layer是液体，本身算是动态可调的一种手段。
对我的启发：
ü 材料的选择对最后的结构成色影响很大。
ü 对结构色实施包裹的手段确实有使用价值，
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-020-15773-0
报告人：李昊天，本科生。
