基于相变材料的可调谐高纯度结构色的非周期布拉格反射器

论文信息：

S. Jana, K. Sreekanth O. A. M. Abdelraouf, R.Lin, H.Liu, J.Teng, and R. Singh,Aperiodic bragg reflectors for tunable high-purity structural color based on Pphase change material,Nano Letters, (2024).

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c00052

研究背景

由颜料和合成染料组成的传统滤色片依靠化学成分来选择性吸收不同颜色的光。1与这些滤色片相关的主要问题是（i）由于其相对有限的化学稳定性和过滤性能下降。(ii) 需要整合多种颜料或染料来实现完整的配色方案，这是非常昂贵且具有挑战性的。研究人员通过修改固体材料的表面结构来解决这些问题，从而能够通过散射、反射、吸收、透射或其组合来操纵光与物质的相互作用，从而产生可见颜色。这一革命性的突破刺激了各种结构着色技术的快速发展。这些结构着色方法因其独特的优势而受到广泛关注。与传统滤色镜相比，它具有多种优势，例如环境友好、高效、广谱可调性、卓越的色彩稳定性以及对紫外线暴露和热量引起的化学降解的鲁棒性。

研究内容

本文过实验证明了基于 PCM 的可调谐非周期性分布式布拉格反射器 (A-DBR)，用于高纯度结构着色。所提出的可调谐 A-DBR 由 SiO2 和超低损耗 PCM（例如 Sb2S3）的交替层组成，总厚度 < 800 nm。重要的是，通过激光诱导加热切换 Sb2S3 层的相位来演示多态前向可调颜色。作为一个优点，所提出的涂层通过抑制带外反射提供了相当高纯度的色带。

图1.(A)由不同厚度的Sb2S3和SiO2交替的层组成的A-DBR(C1)的原理图。数值计算了(B)橙色和(C)黄色带在垂直入射时的反射光谱，同时考虑了Sb2S3层的非晶相(AMP)和晶相(CRY)。绿色和青色箭头分别代表Sb2S3的非晶相和晶相的反射轴。CIE 1931色度图，显示与Sb2S3的两个相(Amp和Cry)的结构组态(D)c1和(E)c2的计算反射光谱相关联的颜色。

图 2. 实验测量的 A-DBR 角度分辨反射光谱。(a) 所制造的橙色样品 (C1) 的扫描电子显微镜图像以非晶态呈现，相应的 Sb2S3 和 SiO2 交替层。配置 (b) C1 和 (c) C2 的 Sb2S3 的放大相和冷冻相在垂直入射时的反射光谱。插图表示所制作的样品的高分辨率光学显微图像，对应于两种不同颜色的非晶态 Sb2S3。测量的放大器 A-DBR 配置 C1（d）p 偏振和（e）s 偏振的角度反射光谱的二维图。测量的 amp A-DBR 配置 C2（f）p 偏振和（g）s 偏振的角反射光谱二维图。

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图 3. 不同 Sb2S3 晶态下 A-DBR 反射光谱的 3D 颜色映射。在不同激光功率密度下测量的配置 (a) C1 和 (b) C2 的反射光谱。红色虚线箭头表示对应于从 0 到 100% 的不同结晶度的中心波长的偏移。光学显微图像说明了 (c) C1 配置和 (d) C2 配置在不同结晶度水平下所实现的颜色可调性。计算出的构型 (e) C1 和 (f) C2 在不同结晶度水平下的反射光谱。

图 4.(a) 优化算法流程图。(b) 优化过程中 FOM 函数的演化。DBR 设计的优化最大限度地提高了非晶 DBR 和结晶 DBR 之间的颜色对比度。(c) 无定形（纯红色）和结晶（纯蓝色）DBR 的相应颜色坐标。

结论与展望

本文展示了一种光学可调结构着色，使用非周期性分布布拉格反射薄膜涂层，并以超低损耗 Sb2S3 PCM 作为高折射率层。通过调整层厚度，实现了与橙色和黄色色带相关的高反射窄带宽，表现出高色纯度（约 82−88%）和大色带可调性。此外，通过使用具有可变功率密度的激光器有意识地向前调整光谱带来演示多态结构着色。更重要的是，在拟议的 A-DBR 结构中引入 PCM，解决了与当前硫族化物 PCM 结合薄膜涂层滤色器相关的局限性，提供了广泛的颜色可调性、出色的纯度和亮度以及入射角和偏振不敏感性。所提出的结构着色技术将被证明对于推进下一代高纯度彩色显示设备和光学数据加密具有重要价值。

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