基于灰度纳米组装加工方法多维可控结构色超表面 | 进展

微加工实验室中科院物理所

结构色，又称物理色，是由光与物体表面微纳结构相互作用产生的颜色效果。相比于化学染料，结构色依赖物体在微纳尺度下的构型，而非材料本身的特性实现色彩的操控，在色彩鲜艳度、寿命以及分辨率方面具有显著的优势，可以应用在下一代高分辨显示设备及密码学器件中。光学超表面作为一种亚波长人工结构，能够在有限的空间中实现光场特性的灵活调控，成为了获得高质量结构色的重要途径，同时结构色超表面也有望在新型可集成显示器件中得到广泛应用。然而，传统的纳米制造技术往往只能加工平面构型的等高纳米结构，难以实现单元结构高度的独立调控，限制了结构色超表面的色彩调控能力。因此，发展创新纳米加工方法，突破单元结构的高度梯度调控技术，从而扩展纳米结构可控自由度，是实现结构色多维操控的重要手段。

图1 （a）GANF方法的工艺流程，及纳米柱结构高度与边长随电子束剂量的变化；（b）多种高度梯度纳米柱结构阵列的SEM图；（c）基于灰度纳米组装加工方法的纳米柱、纳米管以及纳米锥结构。比例尺：1μm.

为了解决上述问题，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心微加工实验室李俊杰团队发展了原子层纳米组装(ALA)加工方法，实现了任意图形纳米介质结构的高深宽比、高精度、大面积的构筑，为多路复用、高效率光学超表面的设计与加工提供了一条全新的途径（Nat. Commun. 2022, 13, 4292；Nano Today, 2021, 38, 101145；Nanophotonics. 2020, 9, 2020290）。最近，该团队进一步将电子束灰度曝光技术引入到ALA加工方法中，提出了一种灰度纳米组装加工（GANF）方法 (图1)，实现了高深宽比纳米结构的高度梯度调控加工。

在GANF方法中，通过构建电子束曝光剂量与纳米结构线宽、高度的关系，完成了对纳米结构高度与图形的大范围任意调控（图1），并获得了高度梯度可调的纳米柱、纳米管以及纳米锥等多种三维纳米结构，展示出强大的三维灰度纳米加工能力。利用GANF方法加工纳米结构的最小线宽与最大深宽比分别达到了50nm与10:1，具有传统双光子吸收与3D打印方法难以企及的工艺极限，其仅依赖平面加工设备便实现了三维纳米结构的灰度加工，拥有加工效率高、大面积一致性好和可加工复杂异形纳米结构等特点。

图2 （a）爱因斯坦灰度相片原图，纳米柱显示灰度随曝光剂量的变化，与设计版图的剂量分布；（b）基于GANF实现的爱因斯坦灰度图像与细节放大SEM图，具有256个灰阶；（b）选取戴珍珠耳环的少女的图像，保持像素数不变，图像分辨率与尺寸随像素尺寸的变化，最高分辨率达到6.4×1010 dpi，与100 nm像素细节的俯视图与倾角视图。比例尺：（b）30μm、3μ、1μm；（c）100nm.

首先，GANF方法在高分辨率灰度显示中展示出重要的应用价值。如图2所示，通过调控结构高度，仅通过一个纳米柱像素便实现了多达256个灰阶的灰度图像（爱因斯坦照片），且可以利用100nm的像素（结构直径50nm）实现达到6.4×10¹⁰ dpi的超高分辨率图像（戴珍珠耳环的少女）。这种灰度图像纳米结构加工方法相比于传统途径不仅保持了超高的显示灰阶数，而且在分辨率方面具有数量级的提高，在微纳器件防伪、高密度信息存储中具有广阔的应用前景。

图3 高度梯度超表面的结构色调控能力。（a）具有不同边长、周期、高度的结构色超表面，插图为相关超表面所表现出的黄、蓝、绿以及红色；（b）从左到右为固定超表面的高度、边长与周期中的两个参量，分别改变结构周期、边长与高度得到的光谱与色彩；（c）超表面颜色随结构边长、周期与高度的变化；（d）结构色超表面在HSB空间中的占用情况。比例尺：1μm.

其次，GANF方法在提高结构色超表面的色域调控能力方面展示了极大优势。理想的结构色是兼具色相（H）、饱和度（S）与亮度（B）的多维调控能力与更广的色域范围，满足现代数字彩色显示与高分辨率图像的发展需求，这对结构色超表面的多维设计和加工能力提出挑战。由于纳米加工技术与工艺的限制，目前的结构色超表面只具有沿x和y方向的结构可控性，缺乏Z方向的调控，制约了完整调控出射光谱特性（光谱共振波段、强度与品质因子）的能力，例如，金属超表面能产生的色域有限，介质超表面则无法实现亮度的操控，进而影响了结构色的色彩可调空间。

采用GANF方法可以突破原有结构色超表面平面构型调控的局限性，除了具备沿x与y方向的空间结构可控性外，新增了结构在Z方向高度的调控维度，丰富了单元结构的空间自由度，从而实现了多维全空间的结构调控，为光谱的完整调控提出了新的可能性，可极大提高结构色的色彩丰富度。

图4 （a）睡莲花朵的原图、结构色超表面光学照片以及SEM图；（b）、（c）睡莲花朵超表面的大面积与局部细节SEM图；（d）通过改变剂量因子实现相同版图色彩操控；（e）基于结构色超表面实现的老虎与鹿的光学显微照片。比例尺：（a）、（e）100μm；（b）15μm.

基于GANF方法的纳米灰度三维加工优势，该团队进一步设计了边长、周期与高度多维可调的灰度结构色超表面，并获得了色彩HSB独立调控的能力，突破了传统结构色器件无法实现色彩多维调制的瓶颈。设计的像素仅具有1.5μm的尺寸，而实现的色彩则可以占据HSB色彩空间中的大部分区域，验证了高度梯度在结构色调控中的广阔前景（图3）。图4展示了一系列基于灰度结构色超表面的彩色图像。其中根据睡莲花朵的原图设计版图，加工出了结构色图像，测试结果表明加工出的灰度超表面与原图具有一致的色彩，其中图像具有1.5μm像素尺寸，分辨率达到2.86×10⁸ dpi，像素由不同的边长、高度与周期的纳米柱阵列构成，像素之间的纳米结构相互独立，保证了结构色显示的色彩准确性。

同时，对于相同的版图，仅通过改变曝光剂量因子便可以对灰度超表面展现的色彩进行进一步调控，提高了色彩操控的灵活性。图4还展示出更多的灰度结构色超表面，均表现出了高分辨、多维可控、色彩丰富的显示特性，在高保真显示、光学加密、高分辨率图像中都具有重要的应用价值。因此，灰度纳米组装加工方法的提出及其突出的多维光场调控能力不仅在高分辨率灰度与彩色显示中具有广阔的应用前景，也为更多的小尺寸、可集成光子学与微纳光电器件的设计与加工提供了新的解决方案。

图5 发表文章封面

该成果以“Height Gradiently Tunable Nanostructure Arrays by Grayscale Assembly Nanofabrication for Ultra-realistic Imaging”为题作为“Inside Front Cover”发表在“Laser & Photonics Reviews” 2023年第17卷第9期上（图5）。微加工实验室的耿广州博士作为论文的第一作者，李俊杰研究员与潘如豪副研究员为通讯作者。

该工作得到了国家自然科学基金委、北京市科技计划委员会、中国科学院基础研究领域青年团队计划的支持。

原文链接

编辑：停云

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