撰稿|郑江坡
虽然结构色在自然界中无处不在，但饱和红色却神秘地消失了。实现薛定谔红色的这个长期存在的问题要求从“阻带”到高反射率“通带”的急剧过渡，并完全抑制蓝/绿波长的高阶共振。目前基于纳米天线的方法不足以同时满足所有条件。近日，新加坡研究所Agency for Science, Technology and Research’s (A*STAR)的Joel K. W. Yang教授团队、新加坡国立大学(NUS)的仇成伟教授团队和新加坡科技设计大学的研究人员设计了硅纳米天线来支持两个部分重叠的连续体准束缚态模式，并采用梯度下降算法来实现红色波长的尖锐光谱边缘。同时，通过设计衬底诱导的衍射通道和非晶硅的吸收，抑制了蓝/绿波长的高阶模。这种设计产生了目前最饱和的红色，~反射率为80%，超过了sRGB的红色顶点，甚至是镉红色颜料。它对偏振和照明角度敏感的性质可能被用于信息加密，而这个被提出的范式可以推广到其他薛定谔的颜色像素。相关成果以“Schrödinger’s red pixel by quasi-bound-statesin-the-continuum”为题于2022年2月23日在顶级期刊《SCIENCE ADVANCES》上发表。
文章作者：Zhaogang Dong, Lei Jin, Soroosh Daqiqeh Rezaei, Hao Wang, Yang Chen,
Febiana Tjiptoharsono, Jinfa Ho, Sergey Gorelik, Ray Jia Hong Ng, Qifeng Ruan,
Cheng-Wei Qiu, Joel K. W. Yang
我们在某些鸟类、甲虫和蝴蝶身上看到的明亮而鲜艳的颜色，源于纳米结构的规则排列，这种纳米结构更强地散射选择性波长的光，从而产生颜色。这些颜色被称为结构色，通常从蓝色到绿色，甚至是品红。然而，值得注意的是，在自然和合成领域都没有鲜艳或饱和的红色结构色范围。
为了达到高度饱和的红色，材料需要吸收所有波长小于600纳米的光，并反射其余较长的波长，尽可能完全地做到这两点。这种从吸收到反射的急剧转变在理论上是由量子理论大师欧文·薛定谔提出的（Erwin Schrodinger）。然而，谐振器的物理学研究告诉我们，一旦有了红色的基本共振，蓝色的高阶光学共振也会发生。这种蓝色和红色的结合因此导致了在自然界中观察到的品红色。因此，实现薛定谔的红色像素是具有挑战性的，这将产生世界上最饱和的红色。目前基于纳米天线的方法不足以同时满足上述条件。
该工作设计了一种具有两种准连续态(q-BIC)模式的Si纳米天线阵列，以实现理想的高色饱和薛定谔红色像素，通过工程非晶硅的泄漏效应和欧姆损失(k)来抑制蓝色/绿色波长的高阶q-BIC模式。在模拟中，色度图（CIE）坐标下得到的颜色饱和度为(0.684,0.301)，明显优于sRGB三角形和著名的“镉红”，其CIE坐标分别为(0.64,0.33)和(0.621,0.32)。q-BIC天线的几何优化是基于梯度下降方法，与时域有限差分(FDTD)模拟相结合，通过抑制蓝色和绿色波长的反射率来寻找最亮和最饱和的红色。与文献中更常见的x-偏振q-BIC模不同，该工作引入了y-偏振q-BIC模，以实现更好的红色饱和度和更高的反射率。实验表明，所获得的红色饱和度确实超过了CIE坐标为(0.654,0.301)的sRGB三角形，同时保持了~80%的高反射率。此外，由于q-BIC共振的性质，所实现的色饱和对入射角和偏振有很强的依赖性。通过深紫外光刻和纳米压印光刻技术，已获得的高饱和红色有可能被放大，从而达到基于多层膜结构的反射式显示器的尺寸，并有可能应用于紧缩型红色滤光片、高饱和反射式显示器、非局域超表面和小型化光谱仪。
该设计由椭圆形状的有序排列的硅纳米天线组成。这些色素可能产生最饱和和最亮的红色，反射率约为80%，超过标准红、绿、蓝色色域(sRGB)和其他众所周知的红色颜料，如镉红。细节如图1所示。
图1 BIC天线阵列的设计原理、几何形状和结果接近理想的薛定谔的高饱和度红色像素。(A)理想薛定谔红色像素与典型纳米光子共振的光谱轮廓比较。(B)模拟设计的具有两个q-BIC共振的q-BIC天线阵的反射谱，构造理想的薛定谔红像素。(C)设计的基于非晶硅(a-Si)纳米天线阵列的BIC天线阵列的三维示意图。每个晶胞由一对椭圆形的石英衬底上的a- Si纳米结构组成。(D)Ez在两个q-BIC谐振波长处的空间分布。(E)CIE1931色度图说明红色饱和度的优化，在模拟和实验中获得的红色CIE坐标，以红色染料镉红为基准。(F、G)基于a-Si纳米结构制备的红色“BIC”字母的光学显微镜和扫描电镜图像。
图2提出了详细的梯度下降算法，并结合FDTD仿真包来设计和优化q-BIC天线阵列的几何参数。
图2 采用梯度下降算法优化设计的q-BIC天线阵列，实现高度饱和的红色。（A）CIE 1931色度图，用于说明红色饱和度的优化。模拟颜色像素的CIE坐标为(x, y)， D定义了模拟CIE坐标(x, y)与色度图中700 nm处高饱和红色顶点的距离。(B)基于梯度下降算法的多参数优化与FDTD仿真相结合。在这里，定义了两个代价函数，它们可以从一个函数切换到另一个函数，以避开局部最小值。第一个代价函数是最小化距离值D，第二个代价函数是最大化CIE坐标x。(C)CIE坐标在优化过程中从“起点”到“终点”的轨迹CIE坐标为(0.684,0.301)。
图3给出了相应的纳米化制备和表征结果。
图3 在y偏振入射条件下的高饱和红色颜料与黑色染料在石英衬底背面。(A)红色像素上的q-BIC共振示意图。石英背面的黑色染料吸收了基片底部空气-石英界面的反射。(B、C)制备的高饱和红色硅纳米天线阵列的倾斜侧视图和俯视图的SEM图像。(D)用黑色染料在石英衬底背面测量了y偏振下高饱和红色的反射率光谱。(E)D中CIE 1931色度图测得的反射率光谱。
作者还研究了入射偏振、NA（数值孔径）和观察角度对获得的色彩饱和度的影响。结果如图4所示。
图4 对具有不同偏振条件和NAs的物镜红色像素的表征。(A、B)在x偏振入射条件下测量的反射光谱和相应的CIE坐标与×5物镜，NA为0.12。(C、D)用NA为0.50的×36物镜测量了y偏振入射条件下的反射光谱。
“这种新的设计可以实现最饱和和最亮的红色，利用其对偏振和照明角度的敏感性，在信息加密领域具有潜在应用。所提出的概念和设计方法也可以推广到薛定谔的其他彩色像素。高饱和红色可以通过深紫外和纳米压印光刻等方法进行放大，以达到基于多层膜配置的反射式显示器的尺寸，这可能导致紧凑的红色过滤器、高饱和反射式显示器、非局部超表面和小型化光谱仪等潜在应用。”本文第一作者Dong Zhaogang博士（A*STAR’s IMRE纳米制造部副部长）如是说。
“高饱和度和高亮度红色的创造，为防伪技术、高分辨率彩色显示等领域的大量应用提供了可能性，这些在以前被认为是结构色无法实现的。该工作展示了概念突破、强大算法和先进纳米制造之间的奇妙协同作用”，新加坡国立大学的仇成伟教授表示。
“这种结构颜色的研究表明，我们有时可以通过巧妙地使用纳米制造工具和精确的光学模拟来超越进化”，Joel Yang教授表示。
综上所述，研究团队我们提出了一种具有q-BIC共振的Si天线设计，以实现高度饱和的红色，这超出了色度图中的sRGB三角形。该算法有助于发现新的y偏振q-BIC模式。这些基本的和高阶的q-BIC模式紧密地放置在理想的薛定谔红的光谱通带内，提供了薛定谔颜色饱和所需的理想的急剧过度。这些结果代表了在380到780纳米的全光谱表征纳米结构所达到的最高红色饱和度。值得注意的是，由于颜色的角度和偏振依赖性质，所提出的设计可以用于偏振加密防伪应用颜料中所缺乏的独特视觉效果。此外，基于单一非对称介电纳米结构的不同构型可以进一步探索以更小的足迹获得更高的打印分辨率。
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm4512
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