撰稿| 由课题组供稿
导读
近期，暨南大学光子技术研究院纳米光学团队与相关合作者共同发展了一种全新的激光彩色图像打印技术，可以实现大面积、低成本、高色彩饱和度和高分辨的打印技术。该技术对纳米级厚度的连续MoS2薄膜打印，突破了传统激光打印技术对预制纳米结构模板的限制，利用操控金属衬底上的薄膜材料独特色散所产生的非平凡界面相移，可实现整个可见光波段内的颜色调控。基于MoS2层纳米级的超灵敏共振光谱控制能力，该技术对反射光波长调控灵敏度与传统材料相比增加了一个数量级（波长移动高达13.95 nm/原子层），为彩色印刷技术发展提供了一种实用的、非光刻的技术手段，可以实现cm级大面积的快速彩色图像打印（图1所示），其空间分辨率可以高达58,000 dpi。相关成果以“Ultra-sensitive nanometric flat laser prints for binocular stereoscopic image”为题发表在Nature Communications上。暨南大学博士后胡德骄（现紫晶存储公司高级工程师）、暨南大学研究生李昊为共同第一作者，暨南大学李向平研究员、曹耀宇研究员和电子科技大学毕磊教授为该论文共同通讯作者。
图1 彩色图样样品展示图
颜色感知和三维图像是人类获取外界信息的重要渠道。颜色的产生、彩色图像的打印以及三维图像显示一直以来是科学界孜孜不倦探索的领域。近些年来，由亚波长的超构原子组成的超表面结构由于具有强大的光场调控能力，开辟了色彩产生和图像信息的新领域。不同于传统化学颜料和染料，超表面可以对电磁波的波前及谐振强度进行深度的调控，具有低污染，不褪色，高分辨率等众多优点，从而吸引了越来越多的人关注。然而，超表面通常需要利用复杂和昂贵的电子束曝光或者离子束刻蚀技术制作复杂的纳米结构，限制了其大规模普及和应用。利用激光光热效应对贵金属纳米结构的形貌调控，为彩色图像打印提供了一种低成本大面积的后续个性化定制技术手段。然而目前报道的激光打印通常采用的是预制的金和银金属结构模板，其大面积实用性依然受到局限。此外，这类打印技术仅仅能够产生二维平面图像信息。因此，如何设计新颖的颜色调控结构，利用较成熟的激光加工工具实现高速、跨尺度彩色图像信息打印，并丰富成像信息量成为目前研究的一大挑战。
在该工作中，研究团队揭示了纳米级厚度的连续MoS2薄膜涂敷的金属衬底结构展示了优异的层厚灵敏特性。尽管传统光学器件设计中吸收损耗通常是要规避的负效应，研究团队巧妙的利用材料虚部引入的界面相移，纳米级MoS2材料的奇异色散为超灵敏光场调控方案提供了可能（如图2所示）。调控波长范围可从800nm到430nm，跨越整个可见光区间。
图2 金属-MoS2结构的光场调控特性和激光直写法打印图案的光学图像。
基于层状MoS2薄膜的层间范德华相互作用和各向异性热导率的材料特性，通过精确操控连续激光紧聚焦条件，可控制产生垂直于界面的超高温度梯度，实现纳米级厚度的MoS2层的原子层削薄，最小剥离厚度达到3nm（如图3所示）。从而利用金属-MoS2结构对纳米级厚度变化展现出超灵敏响应的光学共振，实现了在全可见光范围内产生鲜艳的反射色彩，还带来了较大的反射振幅调制。
图3 激光削薄集成在金衬底上的具有原子厚度精度的多层MoS2。
基于上述原理，研究团队演示了高分辨率的彩色图像打印。同时，利用激光打印微光栅结构其振幅调制带来高效衍射效应，进一步开发了基于光栅衍射角度色散效应的多角度立体图像三维视觉（如图4所示）。
图4.双目立体视觉的显示头像。
图源：Nature Communications 12, 1154, (2021)
研究团队所提出的制备方法，摒弃了复杂的电子束纳米光刻工艺，所展示的具有原子厚度精度和亚波长特征尺寸的激光直写方法为激光彩色打印揭示了新的技术路线，具有极大的可扩展性和实用性。通过揭示新颖的界面相移，为超灵敏光场操纵方案提供了可能，并为多功能超表面结构以及纳米级平面光学元件开辟了新的道路。
该研究工作得到了国家重点研发计划(2018YFB1107200);国家自然科学基金(61705084);广东省创新创业项目(2016ZT06D081) 的支持。
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