英文原题： Hybrid SPR/Fabry-Pérot Cavity-Based Films with Versatile Color Tunability and Sensitive Environmental Sensing

第一作者：俞朱敏（21级研究生）

通讯作者：赵凯博士、叶常青教授

作者：俞朱敏、赵凯、赵彦博、Feng Qi、叶常青

        自然界中蝴蝶、孔雀等生物通过其精妙的微纳结构与光的相互作用呈现出绚丽的色彩，即结构色。受此启发，基于表面等离子体共振（SPR）、光子晶体等原理的人工结构色材料在显示、防伪、传感等领域展现出广阔前景。然而，单一等离子体结构通常存在色彩可调范围有限、光学对比度低、难以覆盖全可见光谱等问题，限制了其实际应用潜力。

        课题组创新性地设计并制备了一种基于混合SPR/F-P腔的金-铝胶体光子晶体（Au-Al-CPC）薄膜。 该薄膜通过磁控溅射技术在胶体光子晶体（CPC）模板上依次沉积铝纳米岛（AlNPs）和金纳米颗粒（AuNPs），构建了独特的SPR与F-P腔协同共振结构。相关成果以题为“Hybrid SPR/Fabry-Pérot Cavity-Based Films with Versatile Color Tunability and Sensitive Environmental Sensing”发表于国际顶级期刊《Nano Letters》上。

        课题组利用CPC模板的周期性结构作为基础，首先沉积AlNPs形成具有显著SPR效应的铝纳米岛阵列（Al-CPC薄膜）。随后，通过精确控制AuNPs的溅射时间，在Al-CPC基底上构建了具有特定厚度的Au层，从而形成了F-P谐振腔（Au-Al-CPC薄膜）。这种独特的混合SPR/F-P架构是其多功能性的核心：通过精准调控F-P腔的周期厚度（即Au层厚度），该薄膜能够在可见光范围内（从紫色到红色）实现全光谱、高饱和度的结构色精确调控，如同一个“调色盘”。此外，利用定制的掩模进行区域选择性AuNPs沉积，该技术可以一步法高效制备复杂的多色图案。

        更重要的是，得益于等离子体和F-P谐振对环境介质折射率的敏感性，Au-Al-CPC薄膜展现出卓越的环境响应性能。 当暴露于不同折射率的溶剂（如水、乙醇、甘油）或葡萄糖溶液时，其共振波长（λdip）发生显著红移，并伴随肉眼可见的颜色变化。实验测得该薄膜对溶剂折射率变化的灵敏度高达425 nm/RIU，对葡萄糖浓度变化也表现出灵敏响应，凸显了其在环境监测和生物传感（如血糖检测）中的应用潜力。

        该薄膜优异的可调结构色和环境响应特性使其成为高端防伪标签的理想候选材料。 研究人员展示了其作为防伪标签的应用：特定图案区域在溶剂浸润下会发生戏剧性的颜色转换（如棕色变蓝、粉色变蓝），这种独特的、可逆的动态变色效果为商品认证和信息加密提供了强大的安全保障。薄膜还表现出良好的循环稳定性，经过100次润湿-干燥循环后，其光谱特性保持稳定。

        这项工作不仅为克服单一等离子体结构的局限性提供了有效策略，还建立了一个集结构色调控、环境传感与防伪应用于一体的多功能平台。 其简便的溶液加工和磁控溅射制备工艺，以及优异的性能，为未来在自适应光子学、光学防伪、生物传感等领域的应用铺平了道路。

图1. (a-c) Au-Al-CPC薄膜制备过程示意图。(d) Au-Al-CPC薄膜截面结构演化示意图。(e-g) CPC模板、Al-CPC薄膜（AlNPs溅射180秒）和Au-Al-CPC薄膜（AlNPs溅射180秒；AuNPs溅射30秒）的俯视SEM图像

图2. (a) Au-Al-CPC薄膜中的光路示意图。(b) 不同AuNPs和AlNPs溅射时间下制备的Au-Al-CPC薄膜照片（标签X-Y表示AlNPs溅射时间X秒，AuNPs溅射时间Y秒）。(c) 不同AuNPs溅射时间下Au-Al-CPC薄膜的反射光谱（AlNPs固定溅射180秒）。(d) FDTD模拟使用的模型结构。(e) FDTD模拟的Al-CPC复合膜（光子晶体周期280 nm）及不同Au层厚度的Au-Al-CPC薄膜反射光谱（固定Al层厚度50 nm）

图3. (a) 利用掩模区域选择性沉积AuNPs制备图案化Au-Al-CPC薄膜示意图。(b, d) 通过掩模辅助溅射获得的“伞”、“花”、“枫叶”、“雪花”图案及单步梯度掩模溅射获得的多色阵列照片。(c) 单步梯度掩模设计示意图。(f) 在不同Al-CPC基底上利用定制掩模单步溅射获得的多色图案照片

图4. (a) Au-Al-CPC薄膜溶剂响应机理示意图。(b) 暴露于不同折射率溶剂的Au-Al-CPC薄膜反射光谱。(c) 共振波长（λdip）与溶剂折射率的线性关系。(d) Au-Al-CPC薄膜对不同浓度葡萄糖溶液的反射光谱响应。(e) 共振波长（λdip）随葡萄糖溶液折射率（浓度）的变化关系。(f) 图案化Au-Al-CPC薄膜在空气环境（左）和溶剂浸润下（右）的防伪应用展示

Hybrid SPR/Fabry-Pérot Cavity-Based Films with Versatile Color Tunability and Sensitive Environmental Sensing

Zhumin Yu, Kai Zhao*, Yanbo Zhao, Qi Feng, and Changqing Ye*

Nano Lett. 2025, 25(26): 10634–10640.

Published Online: June 17, 2025

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.5c02393