表面等离激元、局域表面等离激元、法布里-珀罗共振和米氏共振作为可调结构色机制有何不同?

等离激元、局域等离激元、法布里-珀罗共振和米氏共振如何产生并调节结构色,以及为什么介电米氏设计如此可控。

直接答案

这四种机制都是通过在小于或接近波长的结构中束缚或聚集光来产生颜色,但它们的区别在于光被束缚在哪里,以及这种束缚有多容易被改变。表面等离激元沿金属表面传播,局域表面等离激元在单个金属纳米颗粒中振荡,法布里-珀罗共振在两个反射面之间来回弹射光,米氏共振则在高折射率介电颗粒内部循环。对于可调颜色而言,介电材料中的米氏共振尤其有吸引力,因为其颜色强烈依赖于颗粒几何形状和材料相态,而且避免了金属带来的光损耗[1][4][5]。

5篇文献引用

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光被束缚在哪里,决定了颜色如何调节

区分这些机制最简单的方法是问光被储存在哪里。表面等离激元是与光耦合的电子运动波,沿金属表面传播;由于它绑定在界面上,其颜色取决于金属、周围介质和表面图案。局域表面等离激元是同一种电子振荡,但被限制在单个金属纳米颗粒中,因此其颜色主要由颗粒的尺寸、形状和材料决定。法布里-珀罗共振在本质上不同:光在两个部分反射的表面之间来回弹射,能够保留下来的颜色是那些在往返过程中波相互增强的颜色。米氏共振发生在高折射率的介电颗粒内部,光按照颗粒尺寸和形状所决定的允许模式在其中循环[5]。

这种差异对调节很重要。基于金属的等离激元颜色明亮且可以非常饱和,但金属会吸收部分光,而且改变一个已完成的金属结构通常意味着改变其几何形状。相比之下,介电米氏谐振器可以由光学性质本身可切换的材料制成,这开辟了一条无需重建结构就能改变颜色的途径[1][4]。

米氏共振可以通过改变材料而非形状来切换

最清晰的证明来自三硫化二锑(Sb2S3)纳米结构。在其非晶态下,这些高折射率介电纳米圆盘支持米氏共振,在反射中产生强烈的结构色。加热使材料结晶,激光随后可将其恢复为非晶态,因此同一纳米结构可以可逆地来回切换颜色[1][4]。颜色变化来自相变改变了材料对光的响应,而不是物理上改变圆盘的尺寸。

第二种途径是在椭球形米氏谐振器周围放置液晶。施加电压使液晶重新取向,从而改变局部光学环境并移动共振,使像素可以从明亮的红、绿、蓝连续调节到深黑色[2]。在这里,谐振器本身保持固定,而周围环境被电学调节,这对显示器来说是一个实际优势,因为控制是电子式的,而非热学或激光式的。

颗粒尺寸决定色调,同一颗粒在反射和透射中可能呈现不同颜色

米氏共振强烈依赖于几何形状:较大或较小的高折射率颗粒支持不同的共振模式,因此颗粒直径成为颜色的设计旋钮。硅纳米颗粒薄膜直接展示了这一点,不同颗粒直径产生不同颜色,并允许用颗粒墨水打印多色图案[3]。同一项工作还发现,这些薄膜在反射中可能呈现一种颜色,而在透射中呈现明显不同的颜色,模拟将这种不对称性归因于颗粒本身的光学响应[3]。

这种反射与透射的差异是一个有用的区分特征。这意味着基于米氏共振的颜色不仅可以设计为单一色调,还可以设计为取决于观察方式的一对色调,这与防伪和半透明窗口相关[3]。等离激元和法布里-珀罗设计也可以对角度和方向敏感,但米氏共振的情况表明,仅颗粒几何形状就能产生有意为之的双面颜色效果。

为什么介电米氏谐振器更适合可调颜色,以及还有什么未解之处

在可见光范围内具有高折射率和低损耗的介电材料非常适合结构色,因为它们强烈散射光而不会吸收太多[5]。这种低损耗与金属有实质性的实际差异,金属的吸收会使预期颜色变暗或变浊。结合米氏共振依赖于几何形状和材料相态这一事实,这使得介电谐振器成为可调设计的天然平台:颜色可以通过颗粒尺寸、周围介质或谐振器本身的相变来调节[1][2][5]。

这些研究没有做的是在相同条件下将四种机制并排比较。米氏共振的工作展示了可逆的热和激光切换[1][4]、通过液晶的电学控制[2]以及基于几何形状的颜色和二色性[3],但它没有测量表面等离激元、局域表面等离激元或法布里-珀罗设计在相同的可调性、损耗和色纯度测试中会表现如何。因此,诚实的答案是:米氏共振被证明是实现可调结构色的一条强大而多功能的途径,而与其他三种机制的比较排名仍然是一个合理的预期,而非实测结果。

本文引用的文献

1

可见光谱中的可调米氏共振

Sb2S3介电纳米天线阵列在可见光谱中支持米氏共振,并通过加热和激光非晶化在非晶态与晶态之间切换时产生可逆的结构色。

2

用于电可调逼真颜色渐变和深黑色的液晶驱动米氏谐振器

椭球形米氏谐振器与液晶盒结合,提供电可调反射结构色,可以从饱和的红、绿、蓝连续调制到深黑色。

3

使用米氏共振硅纳米颗粒的结构色喷墨打印

喷墨打印的硅纳米颗粒薄膜显示出鲜艳的结构色,其色调取决于颗粒直径,并在反射和透射之间明显不同。

4

可见光谱中米氏共振的可逆调节

Sb2S3介电纳米圆盘阵列通过结晶和激光诱导非晶化表现出可见米氏共振的可逆调节,来回切换结构色。

5

基于全介电米氏谐振器的动态结构色

一篇关于基于米氏共振的介电结构色的综述描述了如何利用几何形状、材料光学参数、环境和外部刺激来调节所得颜色。