ACS AMI┃绝缘体上硅纳米结构的明场结构色

英文原题：Bright Field Structural Colors in Silicon-on-Insulator Nanostructures

通讯作者：史丽娜，中国科学院微电子研究所；张永亮，中国科学院半导体研究所

作者：Longjie Li, Jiebin Niu, Xiao Shang, Shengqiong Chen, Cheng Lu, Yongliang Zhang, and Lina Shi

颜色是我们通过视觉来感知和识别日常生活中物体的基础。传统上人们一般使用有机染料或化学颜料来产生颜色。染料的分子通过选择性的吸收可见光来产生颜色，对应的光波长由分子中电子的离散能级之间的跃迁频率决定。传统染料的缺点是空间分辨率比较低 (低于1000DPI)，会产生环境污染并且在非稳定的环境中耐久性比较差。为了克服染料的缺点，研究人员尝试借鉴生物系统中的结构色，结构色是由微纳结构中光学散射和干涉等物理过程产生的。结构色广泛存在于自然界中，比如蝴蝶和昆虫翅膀以及贝壳的鲜明颜色。与染料相比，结构色依赖于材料微纳结构中的光学散射、干涉或衍射，而非其化学性质，因此具备可持续生产和回收的巨大潜力。近年来，研究人员广泛研究了基于金属和介质微纳结构的结构色。利用贵金属微纳结构的金属表面等离子体共振可以在整个可见光谱实现结构色，然而金属材料的吸收会产生较大的热损耗。因此，高折射率介质结构支持的Mie共振为实现高纯度和高饱和度结构色提供了一种有前景的方法。高折射率介质纳米结构支持电偶极、磁偶极和多极共振响应，具备金属材料不具备的低损耗和良好的可调谐性。最近，基于全介质硅平台的结构色引起了特别的关注。硅的结构色比金属结构色具有更长的持久性和更高的可调谐性。最重要的是硅纳米结构可以采用成熟的、具有成本效益的现代互补金属氧化物半导体（CMOS）制备技术来制造。但是，与金属材料相比介质微纳结构的共振散射相对较弱。实际上，虽然科研人员目前已经对基于硅的结构色进行了大量的研究工作，但是已报道的绝大多数研究工作都是在暗场照明条件下进行的，这些设计并不适合在真正的明场环境下实现。截止到目前为止，如何在全硅介质平台实现具有衍射极限分辨率的且易于COMS集成的明场结构色仍面临巨大挑战。

为解决上述问题，中国科学院微电子研究所史丽娜副研究员团队提出了一种在绝缘体上硅 (SOI) 平台上实现反射型明场结构色的策略，其具有衍射极限的空间分辨率和高亮度的明场结构色，并对观察视角具有强烈的不敏感性，同时与CMOS集成工艺兼容。该设计可以满足工业规模生产和整合集成，为结构色在微显示器和纳米级彩色印刷方面的实际应用铺平了道路，同时设计的结构色在虚拟现实和未来成像方面具有潜在的应用价值。

图1. 单个硅纳米柱的背散射特性

与常见的直接在石英衬底上制备的硅纳米结构相比，利用SOI片制造的硅纳米柱结构的背散射在特定的FP腔厚度处得到强烈的增强，这是团队设计的单个硅纳米柱支持的Mie共振与二氧化硅层支持的Fabry-Perot共振干涉相长的结果。增强的背散射显著提高了结构色的亮度。

图2. FP腔长度对散射和反射光谱的影响

研究发现不同的FP腔长度可以有规律地调节背散射光谱和反射光谱：其规律是当FP腔长度为光谱振荡周期的整数倍时，其背散射增强到最大值；而当FP腔长度为光谱振荡周期的半整数倍时，其背散射减小到最小值。这表明可以通过改变FP腔长度来满足FP腔共振与单个硅纳米柱的Mie共振的相长或相消干涉，进一步调节单个纳米柱的背散射强度，进而调节整个阵列的反射谱。

图3. 基于SOI的硅纳米柱阵列的光学特性

团队人员设计的硅纳米柱的直径和纳米柱的间距都小于200 nm，这意味着设计的系统是在亚波长区域中工作。对于具有特定FP腔长度的硅纳米结构，阵列中的硅纳米柱可以产生与单个纳米柱相同的颜色，从而实现大尺度、高分辨率的结构色。研究发现单个硅纳米柱的直径参数是调节结构色色相的主要影响因素，而纳米柱之间的距离主要影响结构色的饱和度，实验制备的调色盘体现了良好的色域范围。同时，研究发现电偶极和磁偶极的共振位置随纳米柱直径的增加而红移，引起结构色的红移。

图4. 结构色印刷《荷花图》

一旦通过优化设计得到单个纳米柱与阵列的颜色相同，就可以进一步设计实现任意大小的结构色图像。利用该平台的结构色重现了一幅荷花图，展现了卓越的颜色特性，其分辨率达到15875 DPI，制备的复制品在保持高饱和度和高亮度结构色品质的情况下最高分辨率可以达到63500 DPI，且未丢失其细节。本工作设计制备的复制品具备的一个独特优势是其颜色与观察角度无关，通过不同放大倍数的物镜观察结构色印刷复制品，其结果不会产生太大的变化，这是由于反射谱对角度的不敏感性造成的，这对于结构色的实际应用尤为重要。

图5. 不同放大倍数下的结构色印刷图

综上所述，实现与CMOS技术集成兼容的硅基明场结构色对于结构色结构的大规模制备至关重要。利用二氧化硅层产生的FP共振和单个纳米柱支持的Mie共振相互作用产生的丰富光谱，SOI为明场结构色的实现提供了有前途的平台。该方案有望为全硅结构色在纳米级彩色印刷、微型显示器和微成像中的大规模、可集成应用铺平道路。

相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces 上，中国科学院微电子研究所博士研究生李龙杰为文章的第一作者，史丽娜副研究员和中科院半导体所张永亮副研究员为通讯作者。

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Bright Field Structural Colors in Silicon-on-Insulator Nanostructures

Longjie Li, Jiebin Niu, Xiao Shang, Shengqiong Chen, Cheng Lu, Yongliang Zhang*, Lina Shi*

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, DOI: 10.1021/acsami.0c19126

Publication Date: January 3, 2021

Copyright © 2021 American Chemical Society

（本稿件来自ACS Publications）