• ACSAMI┃絕緣體上硅納米結構的明場結構色-X-MOL資訊

    文章來源:亞博直播  作者:亞博直播  發布日期:2021-02-03  瀏覽次數:2934

    英文原題:Bright Field Structural Colors in Silicon-on-Insulator Nanostructures通訊作者:史麗娜,中國科學院微電子研究所;張永亮,中國科學院半導體研究所作者:Longjie Li, Jiebin Niu, Xiao Shang, Shengqiong Chen, Cheng Lu, Yongliang Zhang, and Lina Shi顏色是我們通過視覺來感知和識別日常生活中物體的基礎。傳統上人們一般使用有機染料或化學顏料來產生顏色。染料的分子通過選擇性的吸收可見光來產生顏色,對應的光波長由分子中電子的離散能級之間的躍遷頻率決定。傳統染料的缺點是空間分辨率比較低 (低于1000DPI),會產生環境污染并且在非穩定的環境中耐久性比較差。為了克服染料的缺點,研究人員嘗試借鑒生物系統中的結構色,結構色是由微納結構中光學散射和干涉等物理過程產生的。結構色廣泛存在于自然界中,比如蝴蝶和昆蟲翅膀以及貝殼的鮮明顏色。與染料相比,結構色依賴于材料微納結構中的光學散射、干涉或衍射,而非其化學性質,因此具備可持續生產和回收的巨大潛力。近年來,研究人員廣泛研究了基于金屬和介質微納結構的結構色。利用貴金屬微納結構的金屬表面等離子體共振可以在整個可見光譜實現結構色,然而金屬材料的吸收會產生較大的熱損耗。因此,高折射率介質結構支持的Mie共振為實現高純度和高飽和度結構色提供了一種有前景的方法。高折射率介質納米結構支持電偶極、磁偶極和多極共振響應,具備金屬材料不具備的低損耗和良好的可調諧性。最近,基于全介質硅平臺的結構色引起了特別的關注。硅的結構色比金屬結構色具有更長的持久性和更高的可調諧性。最重要的是硅納米結構可以采用成熟的、具有成本效益的現代互補金屬氧化物半導體(CMOS)制備技術來制造。但是,與金屬材料相比介質微納結構的共振散射相對較弱。實際上,雖然科研人員目前已經對基于硅的結構色進行了大量的研究工作,但是已報道的絕大多數研究工作都是在暗場照明條件下進行的,這些設計并不適合在真正的明場環境下實現。截止到目前為止,如何在全硅介質平臺實現具有衍射極限分辨率的且易于COMS集成的明場結構色仍面臨巨大挑戰。為解決上述問題,中國科學院微電子研究所史麗娜副研究員團隊提出了一種在絕緣體上硅 (SOI) 平臺上實現反射型明場結構色的策略,其具有衍射極限的空間分辨率和高亮度的明場結構色,并對觀察視角具有強烈的不敏感性,同時與CMOS集成工藝兼容。該設計可以滿足工業規模生產和整合集成,為結構色在微顯示器和納米級彩色印刷方面的實際應用鋪平了道路,同時設計的結構色在虛擬現實和未來成像方面具有潛在的應用價值。圖1. 單個硅納米柱的背散射特性與常見的直接在石英襯底上制備的硅納米結構相比,利用SOI片制造的硅納米柱結構的背散射在特定的FP腔厚度處得到強烈的增強,這是團隊設計的單個硅納米柱支持的Mie共振與二氧化硅層支持的Fabry-Perot共振干涉相長的結果。增強的背散射顯著提高了結構色的亮度。圖2. FP腔長度對散射和反射光譜的影響研究發現不同的FP腔長度可以有規律地調節背散射光譜和反射光譜:其規律是當FP腔長度為光譜振蕩周期的整數倍時,其背散射增強到最大值;而當FP腔長度為光譜振蕩周期的半整數倍時,其背散射減小到最小值。這表明可以通過改變FP腔長度來滿足FP腔共振與單個硅納米柱的Mie共振的相長或相消干涉,進一步調節單個納米柱的背散射強度,進而調節整個陣列的反射譜。圖3. 基于SOI的硅納米柱陣列的光學特性團隊人員設計的硅納米柱的直徑和納米柱的間距都小于200 nm,這意味著設計的系統是在亞波長區域中工作。對于具有特定FP腔長度的硅納米結構,陣列中的硅納米柱可以產生與單個納米柱相同的顏色,從而實現大尺度、高分辨率的結構色。研究發現單個硅納米柱的直徑參數是調節結構色色相的主要影響因素,而納米柱之間的距離主要影響結構色的飽和度,實驗制備的調色盤體現了良好的色域范圍。同時,研究發現電偶極和磁偶極的共振位置隨納米柱直徑的增加而紅移,引起結構色的紅移。圖4. 結構色印刷《荷花圖》一旦通過優化設計得到單個納米柱與陣列的顏色相同,就可以進一步設計實現任意大小的結構色圖像。利用該平臺的結構色重現了一幅荷花圖,展現了卓越的顏色特性,其分辨率達到15875 DPI,制備的復制品在保持高飽和度和高亮度結構色品質的情況下最高分辨率可以達到63500 DPI,且未丟失其細節。本工作設計制備的復制品具備的一個獨特優勢是其顏色與觀察角度無關,通過不同放大倍數的物鏡觀察結構色印刷復制品,其結果不會產生太大的變化,這是由于反射譜對角度的不敏感性造成的,這對于結構色的實際應用尤為重要。圖5. 不同放大倍數下的結構色印刷圖綜上所述,實現與CMOS技術集成兼容的硅基明場結構色對于結構色結構的大規模制備至關重要。利用二氧化硅層產生的FP共振和單個納米柱支持的Mie共振相互作用產生的豐富光譜,SOI為明場結構色的實現提供了有前途的平臺。該方案有望為全硅結構色在納米級彩色印刷、微型顯示器和微成像中的大規模、可集成應用鋪平道路。相關論文發表在ACS Applied Materials Interfaces 上,中國科學院微電子研究所博士研究生李龍杰為文章的第一作者,史麗娜副研究員和中科院半導體所張永亮副研究員為通訊作者。原文(掃描或長按二維碼,識別后直達原文頁面,或點此查看原文):Bright Field Structural Colors in Silicon-on-Insulator NanostructuresLongjie Li, Jiebin Niu, Xiao Shang, Shengqiong Chen, Cheng Lu, Yongliang Zhang*, Lina Shi*ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, DOI: 10.1021/acsami.0c19126Publication Date: January 3, 2021Copyright ? 2021 American Chemical Society(本稿件來自ACS Publications) 如果篇首注明了授權來源,任何轉載需獲得來源方的許可!如果篇首未特別注明出處,本文版權屬于 X-MOL x-mol.com 未經許可,謝絕轉載! 客服郵箱:service@x-mol.com 官方微信:X-molTeam2 郵編:100098 地址:北京市海淀區知春路56號中航科技大廈

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