电场调控下的浮动薄膜多彩结构
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颜色，作为最直观的物理特性之一，在人类文明发展的历史长河中扮演着重要角色。《孟子・告子上》中所写，“目之于色，有同美焉”，更有《道德经》对五色的描述“五色令人目盲”。
对光和色彩的调控是一个亘古不变的问题，我们在惊叹千年前敦煌莫高窟的绚烂壁画的色彩技术时，更致力于对色彩和光的各种研究和应用。
色彩显示技术在材料科学，结构工程，物理，化学，光学和半导体等工业部门都拥有极大的关注，如仿生结构，光子晶体，等离激元，功能材料，3D 打印，全息投影显示，彩色显示器和信息安全等领域。其中，色彩调控技术是各项技术前进和突破的核心指标之一。
图1 敦煌莫高窟彩色壁画
当前针对色彩调控技术的研究，主要围绕在对材料性质的调控，包括化学反应，相变转换，光敏，机械和热响应等功能材料。例如N.Liu等人基于金属等离子基元设计的超高彩色显示器，通过暴露在特殊气氛环境（H₂/O₂）下的氧化还原反应，可以实现色彩的动态调控(代表论文：Nat Commun 8, 14606 (2017). | 原文阅读 >)。Harish等人巧妙利用相变材料构筑的薄膜结构，非晶态到晶态的转换可帮助器件实现的颜色显著改变（代表论文：Nature 511, 206–211 (2014). | 原文阅读 >）。然而，因为切换前后两种功能已经固定，原位上进行每个单元的任意切换仍然无法得到实现。总结之前的研究，固态器件的物理结构，在加工制备后通常是固定的，而物理结构是光学性能的基础。因此，如何实现固态器件物理结构的调控仍是一个颇具挑战的科学和工程问题。
针对这一个问题，Anders等科研人员在等离子体结构色领域，提出了利用激光调控固态结构的方法：激光热效应可以改变原有的固体结构单元的几何形状，从而实现颜色的改变（Nature Nanotech 11, 325–329 (2016). | 原文阅读 >）。这种技术仍依赖前期复杂的结构制备工艺，而且很难实现精准和可逆化驱动。因此，如何实现简化制备工艺和调控加工成型后固态器件的物理结构，依然是一个巨大的挑战。
薄膜结构因拥有相对简易的制备工艺和高兼容的集成特性，是大部分光学，电学，光电器件，磁性存储，太阳能等器件的基础单元。基于不同材料的多层薄膜结构所显示的光学特性，展示了丰富的颜色及其广泛的应用场景。固体薄膜器件在加工制作完成后，其物理结构通常被固定。
近期，来自新加坡科技大学的Chong Tow Chong教授，联合新加坡国立大学的仇成伟（Qiu Cheng-Wei）教授和清华大学的赵蓉（Zhao Rong）教授，提出了一种可调控的动态薄膜结构设计，能够实现在电场调控的可逆结构色。
研究成果以“Floating Solid-state Thin Films with Dynamic Structural Colour”为题，发表在NATURE NANOTECHNOLOGY上。
该项研究利用了电场下金属Ag离子的迁移活性，巧妙地设计了无序态（amorphous | 名词解释 >）氧化铁为中间介电质层的可调薄膜结构（如图2）。电场驱动下，Ag离子的迁移可以实现薄膜器件的厚度，层数和层序的改变，从而实现单一器件多种颜色的可逆调控。在反向电场下，Ag离子朝向底电极（TiW）方向移动，薄膜器件基本可以恢复到初始状态。研究人员，通过透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope）和能量散射X射线谱（Energy-dispersive X-ray spectroscopy）元素表征（图2所示），可以确认该固态器件的物理结构实现了浮动改变。
图2 动态薄膜结构设计：电场调控下的结构变化.图源：Nature Nanotechnology. (2021) Fig.1 (c)-(f)
基于这个动态薄膜的设计，研究人员使用原子力显微镜（Conductive Atomic Force Microscope | 原理解释 >）展示了这项技术应用于超高分辨率的反射型显示器的可能性。如图3，通过导电原子探针的扫描，在一个薄膜样品上，可以写出明显的彩色图形。这些彩色图形，处于non-volatile状态，无需持续的能量去维持色彩区域，这与当前的主流色彩显示技术有很大区别，可在日光下实现清晰的显示（而不需要借助外界的能量的支援）。这项技术将大大降低功耗，为实现节能环保型的新型显示器的研究提供了新的思路。图3 原子力显微镜驱动下的纳米分辨率反射型显示器展示图源：Nature Nanotechnology. (2021) Fig.3(a), (c).
随着纳米加工技术的进步，固态彩色打印技术主要是基于各种纳米等离基元结构的设计。尽管实现了超高纳米级别的分辨率，然而其耗时复杂的工艺对于宏观大尺寸的彩色打印技术，仍然是一个难题。在该项研究中，作者基于图1动态薄膜的设计，尝试了大尺寸的彩色图形的打印，图4展示了在4 inch 硅片上的彩色鱼尾狮图形和‘NUS’（National University of Singapore缩写），证明了该项研究在大尺寸固态彩色打印技术领域的可行性。图4 大尺寸彩色图形打印展示图源：Nature Nanotechnology. (2021) Fig.4(c), (d), (e).
本工作通过电场控制Ag在多层的薄膜结构的迁移，成功驱动了固态薄膜物理结构的浮动变化，进而实现单一器件的颜色大幅度的可逆调控，色彩的显示无需持续的能量维持。作者基于此项设计，进一步探索了纳米级别的彩色显示器和大尺寸彩色打印的应用价值。该项研究同时为功能性光学，电学和光电等半导体相关技术的研究提供了新的窗口。
文章信息Yan, Z., Zhang, Z., Wu, W. et al. Floating solid-state thin films with dynamic structural colour. Nat. Nanotechnol. (2021).
论文地址https://doi.org/10.1038/s41565-021-00883-7直通原文 >编辑 | 赵阳
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