1.导读
亚波长结构设计产生的结构色仅与结构参数有关，而与化学染料无关。对于结构色，颜色的变化与几何形变、周围介质和成分变化密切相关，从而为动态颜色调控提供了新的可行性。然而，现有结构色在制造时结构已经固定，因而色彩被锁定，不能用于动态多色显示。允许实时改变的活性材料在动态结构色，以及在后续的加密可视化、伪装和色彩传感等应用领域有着重要的前景。
针对这些问题，近日杭州电子科技大学张鉴、张雪峰团队，浙江大学李强团队和西湖大学仇旻团队在Nanophotonics联合发表最新文章，报道了利用湿度膨胀响应的水凝胶层构建金属-介质-金属（MIM）结构实现动态多色显示的工作。此MIM结构结合了聚乙烯醇（PVA）水凝胶作为中间介质层，其中间层厚度可通过湿度变化进行膨胀/收缩调节，从而调控了MIM微腔的共振波长。研究发现，电子束曝光可以制备高分辨率水凝胶微纳结构，并且电子束辐照后的水凝胶微纳结构仍然对湿度变化表现出快速的形变响应，这有望实现一种新的实时可调的光学器件架构方法。
2.研究背景
金属-介质层-金属（MIM）结构允许通过多层干涉实现相干完美吸收。MIM微腔的耦合波长受介质层厚度和有效反射系数的影响，因此这种结构能够整合含有电/化学活性或温度敏感材料的可调谐介质层实现动态多色显示。例如，诱导介质层中的电致变色材料（如氧化钨和氧化铁）时，离子在充/放电状态下迁移可以导致有效折射率的变化和动态颜色显示。为了允许外部电场进行调谐，该种材料往往需要复杂的电容器架构设计。相变材料（硫族化合物，氧化钒等）也被广泛报道用于可调谐的MIM微腔，但高质量薄膜需要精密的生长技术。因此新型、快速高效、动态可调谐的光学材料仍然值得探索。
3.创新研究
针对上述动态结构色调控方法存在的问题，作者提出了一种基于PVA水凝胶对湿度形变响应，实现动态结构色的新方法。作者发现PVA作为电子束曝光胶的对比度值低于聚苯乙烯和SU-8抗蚀剂，证明了其灰度曝光的可行性。近场红外表征证明，电子束辐照后的PVA仍保留了亲水性基团，因此保持了对湿度的膨胀/收缩响应活性。作者利用电子束灰度曝光技术的不同曝光剂量，精确控制水凝胶介质层的厚度，其层厚决定了MIM结构的耦合波长。（见图1）。
图1 不同PVA厚度结构、剂量、光谱、颜色图
为了阐明基于水凝胶基MIM微腔的共振可调性，本工作通过改变9~90 %相对湿度调控PVA厚度。初始PVA厚度为133、184、216nm的结构反射色分别为蓝色、黄色和红色。当相对湿度从9.8%增加至90.1%时，由于薄膜的溶胀使得所有结构都表出共振峰移动和明显的颜色渐变（见图2）。
图2 初始PVA厚度133nm、184nm、216nm的MIM微腔在相对湿度9.8%-90.1%变化时的光谱图
同时，研究者探究了PVA基MIM微腔的高分辨率和动态彩色印刷。由灰度曝光PVA水凝胶制备成的高饱和度的多彩图案（见图3），一旦暴露在变化的湿度下，能够观察到全波段的多彩颜色可逆变化。因此，这种基于水凝胶结构灰度图案化技术在动态结构色以及其他光学器件中具有很好的应用前景。
图3 北京2022年奥运会标志图案的多彩打印，以及在相对湿度32.1%-90.1%间的多彩切换
4.应用与展望
综上所述，该研究团队提出了一种基于PVA水凝胶MIM结构实现动态多色显示的新方法。通过电子束曝光剂量精确控制PVA厚度在整个可见光范围内达到MIM微腔耦合。同时，这种PVA水凝胶对湿度变化的膨胀/收缩形变是自发驱动和生物相容的。因此，基于PVA水凝胶的微纳光子结构可望在智能伪装、动态全息、传感等动态纳米光子器件中有进一步的应用。
该研究成果以“Grayscale-patterned metal-hydrogel-metal microscavity for dynamic multi-color display”为题在线发表在Nanophotonics（ DOI: 10.1515/nanoph-2021-0413）。
本文作者分别是Jian Zhang, Dandan Wang, Yunbin Ying, Hao Zhou, Xiaokai Liu, Xin Hu, Yingxin Chen,Qiang Li, Xuefeng Zhang, Min Qiu。其中前三位作者为共同第一作者，Qiang Li, Xuefeng Zhang, 和Min Qiu教授为共同通讯作者。
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