先进功能材料：多通道纳米印刷图像主动调控，不费“吹水”之力

撰稿|由课题组供稿

近日，武汉大学李仲阳和杭州电子科大张雪峰课题组合作，在主动操控微纳光学动态显示方面取得新进展。研究工作围绕纳米光子学研究的关键方向“主动调控性能”，基于纳米腔对光参量的操控及解耦能力，实现了多波长通道的高光谱纳米印刷显示以及远场全息显示的复用功能。更有趣的是，独特地利用水凝胶纳米腔的吸水膨胀/失水收缩的特性，可实现通过加湿/干燥手段或者直接用嘴吹气的方式，控制近场纳米印刷颜色或显示的实时动态切换。相关工作以“Real-Time Tunable Nanoprinting-Multiplexing with Simultaneous Meta-Holography Displays by Stepwise Nanocavities”（《基于阶梯式纳米腔可实时调控的纳米印刷复用及同步全息显示》）为题发表在国际权威期刊Advanced Functional Materials上。该工作第一单位为武汉大学，第一作者为武大硕士生王泽静、博士生代尘杰和杭州电子科大张鉴副研究员，通讯作者为杭州电子科大张雪峰教授和武大李仲阳教授。

尽管基于纳米微结构的超表面器件在光学显示和存储技术方面具有巨大潜力，但微纳制造中的挑战限制了其广泛应用。与此同时，包括平面薄膜纳米腔在内的平面光学器件也被广泛研究，以实现具有大面积和更简单结构的各种特征光谱和成像功能。其中，基于法布里帕罗共振的金属-绝缘体-金属(MIM)纳米腔已被广泛用于设计可见光频率下透射/反射模式的滤色器或吸收器。大量研究表明结合灰度曝光技术的MIM纳米腔阵列具有微图像纳米印刷功能，并在微纳级信息存储/加密方面具有巨大潜力。然而，一个长期且重大的挑战是利用其实现具有主动调控能力的多通道显示功能。由于缺乏用于MIM纳米腔多通道纳米印刷的调控方案，编码具有动态可切换显示功能的成像复用相当困难。此外，由于缺乏独立的相位/振幅调制编码设计，在保持纳米印刷多路复用的同时扩展其全息显示功能也具有相当大的挑战性。

本研究利用金属-水凝胶-金属（MHM）纳米腔对光参量中光谱和相移的双重调制及解耦能力，通过精准设计阶梯式MHM纳米腔阵列实现多波长的高光谱近场纳米印刷图像及远场全息显示的复用功能。由于将具有湿度敏感性的聚合物（具有加湿膨胀/干燥收缩特性的水凝胶，PVA）作为中间层，从而实现控制环境湿度来改变纳米腔的光学腔长，由此实现了可独立编码的近场显示在加湿和干燥两种条件下进行整体大面积的动态切换。

图1 阶梯式MHM纳米腔的（a）超像素结构参数及其亚像素在（b）透射和（c）反射模式下的光学响应。（d）三波长通道纳米印刷复用及同步全息显示的设计流程。

图1a为设计的由不同的MHM纳米腔混合而成的阶梯式MHM纳米腔超像素示意图。在透射模式的纳米印刷显示设计中，利用不同介质层厚度的MHM纳米腔的在红、绿、蓝波段的透射峰分别来显示多波长通道近场图像中的亮像素（图1b）。与此同时，额外选择两个在可见光具有低透射的MHM纳米腔（K₁/K₂）来显示近场图像的暗像素（图1c）。通过将这些阶梯式排列的MHM亚像素以空间复用的形式并合成超像素，从而可以实现多波长通道纳米印刷显示。在反射模式的全息设计中，K₁/K₂表现出相似的宽带高反射率和有明显差异的相移。因此，引入K₁/K₂这选项可以解耦光学响应中幅值/相位相关性:其一方面可用于显示纳米印刷中需要的暗像素，另一方面也为全息技术创造了二台阶相位编码的能力和自由度。图1d展示了三波长通道纳米印刷及同步全息显示的设计方案。首先将三个目标近场图像空间复用到一个联合编码空间，再采用模拟退火算法(SAA)对全息图的相位进行数值反演和优化，从而确定了整个编码空间的每个MHM亚像素的排布。由此，实现了图2a中多波长高光谱近场纳米印刷及远场全息显示的复用功能。

图2（a）可实时调控的纳米印刷复用及同步全息显示功能示意图。（b）加湿/干燥调控近场纳米印刷显示实时动态切换的原理及其实验观测图像。

图2b进一步展示利用具有湿度敏感性的聚乙烯醇（PVA）作为MHM纳米腔的中间层，成功实现了近场多波长纳米印刷通道之间的实时动态切换成像显示功能。PVA是一种典型的水凝胶材料，其多孔的交联网络和亲水性羟基使得暴露在潮湿环境中的PVA会吸收空气中的水分子而体积膨胀；而在干燥环境下，PVA中束缚的水分子会挥发到空气中而使其体积收缩。因此，MHM纳米腔的光学腔长会在潮湿/干燥环境下的主动膨胀/收缩，并逐渐调节其共振波长。在加湿时，由于共振波长的红移，纳米印刷图像会切换到长波长的颜色通道；加湿过程停止后，显示的纳米印刷图像会逐渐恢复到原始通道，由此实现了不同通道之间的动态实时可调显示。

该研究首次提出并演示了一种基于阶梯式MHM纳米腔的可实时调控的纳米印刷复用及同步全息显示方法。这种创新的复用和动态调控方法在光信息复用/存储、图像加密与显示、湿度检测与生物传感等领域具有科学价值和潜在应用。