全介质薛定谔色彩：实现可见光谱全覆盖的超宽色域结构色

《Nature Communications》：All-dielectric Schr?dinger colours across the visible spectrum

　　本研究针对传统结构色在色域范围和明暗表现上的局限，通过SiO2-Si3N4堆叠超表面中的模式相互作用，实现了近乎理想的薛定谔色彩。该工作首次在可见光谱范围内实验验证了色域达Rec.2020标准106%的结构色，并通过局域尺寸偏差引入高阶衍射，实现了无偏振依赖的直接明暗调控。

　　

在大自然中，鸟类羽毛的绚丽色彩和蝴蝶翅膀的斑斓图案都源于一种神奇的现象——结构色。这种色彩不依赖于色素，而是通过微观结构与光的相互作用产生。随着纳米技术的发展，人工结构色在防伪、显示等领域展现出巨大潜力。然而，传统结构色技术始终面临两大挑战：色彩纯度不足难以覆盖宽色域，以及缺乏有效的明暗调控手段。理想的结构色应当满足薛定谔提出的三个标准：在目标波段具有接近100%的反射率，在非目标波段反射率为零，且两者之间具有陡峭的过渡。

发表在《Nature Communications》的这项研究突破性地实现了这一理想目标。研究团队设计了一种SiO₂-Si₃N₄堆叠超表面，通过精确控制光学模式间的相互作用，在可见光谱范围内创造了近乎完美的薛定谔色彩。

研究团队开发了结合有限元法和时域有限差分法的数值模拟方法，通过梯度下降算法优化几何参数；建立了等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、电子束光刻、干法刻蚀等CMOS兼容的纳米加工工艺，制备了垂直侧壁的堆叠纳米结构；采用自制光学显微镜系统进行光谱表征和色彩性能评估。

The working principle of all-dielectric Schrodinger colours

研究团队发现，两个分别位于508nm和520nm的Fano共振模式通过相长干涉形成高反射带，同时与界面多次反射产生的非共振场发生相消干涉，从而在非共振波段将反射率抑制到1%以下。这种模式相互作用机制使得该结构能够同时满足高反射率、零背景反射和陡峭边缘的薛定谔色彩标准。

Experimental demonstration of all-dielectric Schrdinger colours

实验制备的样品显示出优异的性能：反射峰最高达89.20%，半高宽仅8.89-16.27nm，非共振波段反射率低于1%。在CIE1931色度图中，色彩坐标分布接近光谱轨迹，色域达到Rec.2020标准的106%，创下了结构色领域的新纪录。

High-performance colour printings

通过引入尺寸偏差参数Δr打破面内对称性，研究人员成功激发了高阶衍射，实现了色彩亮度的直接调控。基于这一技术，团队制作了包含786万多个纳米柱的灰度图像和8077万多个纳米柱的彩色图像，在无额外偏振片的情况下实现了高分辨率、高对比度的明暗呈现。

该研究首次在透明介质材料中实现了可见光谱全覆盖的薛定谔色彩，创造了结构色色域的新纪录。通过模式相互作用和衍射调控的创新机制，解决了长期困扰结构色领域的色彩纯度和明暗控制难题。这种全介质超表面结构不仅为高性能光学显示提供了新方案，其CMOS兼容的制备工艺也为其产业化应用奠定了坚实基础。这项研究将推动结构色技术在超高清显示、光学加密等领域的实际应用，标志着结构色研究迈入了新的发展阶段。