【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 近日，山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院國家膠體材料工程技術(shù)研究中心王旭教授、王倩倩副研究員聯(lián)合清華大學(xué)深圳國際研究生院在光學(xué)超材料和超表面領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。
 

　　通過調(diào)控金屬氧化物外層有機(jī)配體，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了一種具有高溶解度和可燒結(jié)的氧化鋯納米粒子(MAA/BA-ZrO2 NPs)，并以一種簡單、高效的溶液處理方法用于制備高質(zhì)量的結(jié)晶ZrO2薄膜和超表面,從而實(shí)現(xiàn)高效、偏振可調(diào)的結(jié)構(gòu)顏色。相關(guān)成果以“Solution Processing of Zirconium Oxide Metasurfaces for Tunable Structural Colors”為題，發(fā)表于光學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊ACS Photonics (一區(qū)Top, IF: 6.0)。文章通訊作者為王旭教授、王倩倩副研究員、魯寧正高級(jí)實(shí)驗(yàn)師以及清華大學(xué)關(guān)訊教授，山東大學(xué)博士研究生邢士翠和清華大學(xué)博士研究生周宇霆為共同第一作者，山東大學(xué)為第一通訊作者單位。
 

　　全介電超表面因光學(xué)損耗低、光學(xué)響應(yīng)多樣而備受關(guān)注。然而，大多數(shù)超表面由不可溶液加工的材料構(gòu)成，制造過程依賴真空沉積和光刻技術(shù)，嚴(yán)重制約了其可擴(kuò)展制造與實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，該研究利用ZrO2核心周圍有機(jī)配體的電荷屏蔽作用，制備了由不同熱穩(wěn)定性配體(甲基丙烯酸MAA和苯甲酸BA)修飾的MAA/BA-ZrO2 NPs。這些顆粒不僅具有優(yōu)異的溶解性和分散性，能夠通過旋涂法直接成膜，還可在高溫?zé)Y(jié)過程中依次、分階段分解，有效延緩應(yīng)力積累并抑制薄膜裂紋。所得薄膜具有均勻的微觀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的高折射率與低光學(xué)損耗，并能通過Mie共振顯著增強(qiáng)光學(xué)響應(yīng)。
 

　　基于ZrO2薄膜與SiO2襯底的高折射率對(duì)比，研究團(tuán)隊(duì)模擬了ZrO2納米光柵超表面的雙折射特性，并分析了其顯色機(jī)理。隨后，利用聚焦離子束技術(shù)制備了ZrO2介電超表面，并對(duì)其靜態(tài)光學(xué)性能和動(dòng)態(tài)色彩切換能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在交叉偏振模式下，超表面不僅呈現(xiàn)從紫色到紅色的寬廣顏色范圍，實(shí)驗(yàn)色域達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)sRGB空間的約103%，通過策略性地組合偏振器/分析儀方向與光柵幾何結(jié)構(gòu)，ZrO2超表面還可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)彩色模式調(diào)制，直觀體現(xiàn)了其在安全顯示和信息隱藏中的潛力。進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)利用雙折射ZrO2超表面設(shè)計(jì)了彩色QR碼(像素尺寸僅1.5 μm × 1.5 μm)。該QR碼可被正常掃描，但提取信息需要輸入密碼。通過旋轉(zhuǎn)樣品獲取色塊的顏色信息，并依據(jù)顏色編碼表解析出最終密碼。輸入正確密鑰“2G6F”后，加密數(shù)據(jù)被成功解密為一幅生動(dòng)的熊貓圖像。該方案解密概率低至1/109,600，通過顏色-偏振-密鑰三重加密策略，顯著提升了數(shù)據(jù)安全性。
 

　　綜上，該工作合成的金屬-有機(jī)雜化ZrO2 NPs為全介電超材料設(shè)計(jì)提供了變革性材料平臺(tái)。通過直接旋涂和后燒結(jié)工藝，即可制備光滑致密的晶圓級(jí)ZrO2薄膜，該薄膜兼具高折射率(波長400 nm處約2.0)、固有寬帶隙和可見光范圍近零吸收。所得超表面展現(xiàn)出顯著的雙折射和動(dòng)態(tài)、穩(wěn)定、鮮艷的顏色調(diào)制能力，在可見光超表面與結(jié)構(gòu)色應(yīng)用中具有潛力。相比依賴復(fù)雜真空沉積和光刻設(shè)備的傳統(tǒng)技術(shù)，該溶液加工策略既克服了無機(jī)顆粒復(fù)合樹脂材料的低折射率限制，又在工藝簡便性與光學(xué)性能之間實(shí)現(xiàn)了理想平衡，有力推動(dòng)了無機(jī)-有機(jī)雜化金屬氧化物納米顆粒在光子器件和光學(xué)加密中的實(shí)際應(yīng)用。
 

　　上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金、山東省優(yōu)秀青年科學(xué)基金(海外)等項(xiàng)目的資助。
 

　　引用：王旭、王倩倩團(tuán)隊(duì)在全介電超表面研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展-山東大學(xué)【引用時(shí)間：2026年8月24日】