首頁(yè) > 應(yīng)用 Nat. Mater.:納米微觀界面與宏觀視覺(jué)特性 軍工資源網(wǎng) 2022年05月24日 一、【導(dǎo)讀】生活世界中的許多美麗外觀都是由微結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)材料中的光波干涉產(chǎn)生的。從大自然中汲取靈感，科學(xué)家通過(guò)人造材料獲得了各種各樣的虹彩和漫射結(jié)構(gòu)顏色。其中“光學(xué)超表面”受到了研究者的廣泛青睞，研究者通過(guò)將高折射率共振散射體精心設(shè)計(jì)在基板上來(lái)制備光學(xué)超表面，并且可以獲得驚人的光學(xué)特性。盡管目前超表面可以用于實(shí)現(xiàn)高分辨率顯示器的超薄多色表面。然而，要將納米尺度的光學(xué)特性與宏觀尺度的外觀屬性聯(lián)系起來(lái)仍然是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，這限制了光學(xué)超表面在外觀設(shè)計(jì)方面的潛力。事實(shí)上，視覺(jué)外觀不僅僅只考慮顏色的影響，物體的光澤度和霧度對(duì)外觀設(shè)計(jì)一樣重要。此外，物體的外觀還取決于宏觀形狀，以及照明和觀看條件。以上這些方面在以前的光學(xué)超表面研究中都沒(méi)有被充分考慮到，并且大多數(shù)關(guān)于自然和人造結(jié)構(gòu)顏色的工作中都沒(méi)有得到完全的研究。二、【成果掠影】近日，法國(guó)波爾多大學(xué)的研究人員在Nature Materials上發(fā)表了一篇題目為“The visual appearances of disordered optical metasurfaces”的研究論文。該論文展示了如何通過(guò)人為設(shè)計(jì)無(wú)序光學(xué)超表面中的亞波長(zhǎng)尺度干涉來(lái)創(chuàng)造令人不同的視覺(jué)外觀效果。作者構(gòu)建了一個(gè)納米尺度的共振散射、中尺度的多重散射和宏觀尺度的光傳輸組合成一個(gè)多尺度光學(xué)建模平臺(tái)，用來(lái)揭示納米結(jié)構(gòu)特征如何轉(zhuǎn)化為不同的視覺(jué)效果。該模型可以用于預(yù)測(cè)和渲染現(xiàn)實(shí)環(huán)境中被超表面覆蓋的宏觀物體，并展示如何使用納米級(jí)共振和中尺度干涉來(lái)對(duì)反射光光譜和角度進(jìn)行調(diào)整，從而在獲得宏觀尺度上不尋常的視覺(jué)效果。此外，作者還通過(guò)肉眼可觀察到的宏觀物體與真實(shí)合成圖像進(jìn)行了相互驗(yàn)證。該模型框架為美術(shù)和應(yīng)用視覺(jué)藝術(shù)等許多分支開辟了全新視角。三、【數(shù)據(jù)概覽】圖1 預(yù)測(cè)被無(wú)序表面納米粒子覆蓋的宏觀物體的視覺(jué)外觀 ? 2022 Springer Nature(a-c) 無(wú)序超表面的視覺(jué)外觀的多尺度性質(zhì)，與基板界面共振相互作用的單個(gè)粒子（c）到相互作用形成集體散射效應(yīng)的粒子集合（b）到宏觀表面，可以經(jīng)歷多次內(nèi)部反射（a）。(d-g) 使用我們的多尺度建模平臺(tái)獲得的合成圖像，在真實(shí)的照明環(huán)境中的宏觀物體。d車身由非結(jié)構(gòu)化的有色玻璃制成，這導(dǎo)致了純粹的鏡面和主要黑色的外觀。e車由同一表面被半徑r ?= 90 nm 的 Ag 粒子覆蓋，分布在隨機(jī)位置。粒子的散射減少了鏡面反射并產(chǎn)生了漫反射的、幾乎各向同性的灰色外觀。f車中控制粒子位置的結(jié)構(gòu)相關(guān)性導(dǎo)致出現(xiàn)驚人的新外觀。在g車中，通過(guò)采用結(jié)構(gòu)化襯底大大豐富了觀察到的漫反射顏色。圖2 單個(gè)粒子的工程 ? 2022 Springer Nature(a) 球形硅顆粒隨機(jī)放置在玻璃基板上。(b) 在表面覆蓋率f = 0.1 下， BRDF 模型預(yù)測(cè)的粒子半徑r ?= 60 和 95 nm 的超表面的漫反射（頂部）和鏡面（底部）反射率的光譜?。正如預(yù)期的那樣，改變粒徑會(huì)改變粒子共振。漫反射和鏡面反射的光譜明顯不同。(c) 漫反射（頂部）和鏡面反射（底部）反射顏色。漫射光的顏色主要取決于單個(gè)粒子的光譜，而鏡面光的顏色要豐富得多，這是由于粒子單層中的平均場(chǎng)經(jīng)歷了薄膜干涉。(d, e) 宏觀球形的渲染圖像，由具有不同半徑的球形粒子制成的超表面覆蓋，60 nm ( d ) 和 95 nm ( e )，分解為f ?= 0.1 的漫反射項(xiàng)和鏡面反射項(xiàng)。圖3 分層基板的工程 ? 2022 Springer Nature(a) Ag顆粒沉積在氧化硅介電薄膜上。粒子散射的光與介電層多次反射的光之間的干涉產(chǎn)生了尖銳的光譜和角度特征。(b) 半徑r ?= 90 nm的單個(gè) Ag 粒子在 SiO2 /Si 襯底上的背向散射效率光譜。(c) 粒子在 440 nm 波長(zhǎng)處的散射圖。隨著介電層厚度的增加開始出現(xiàn)角度特征。(d) h ?= 600 nm時(shí)的三維角度特征圖。(e) 由Ag 粒子制成的超表面渲染圖像，隨著層厚度的增加，出現(xiàn)了漫反射顏色。(f) ?對(duì)于不同的視點(diǎn)和光源位置， h = 600 nm 的形狀渲染圖像。圖4 結(jié)構(gòu)相關(guān)性工程 ? 2022 Springer Nature(a) 兩個(gè)不同程度的結(jié)構(gòu)相關(guān)性的空間點(diǎn)模式示例。(b) 對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)因子作為平行散射波矢量和最小粒子間距離的函數(shù)關(guān)系。結(jié)構(gòu)相關(guān)性取決于波長(zhǎng)和入射角。(c) 上半球結(jié)構(gòu)因子的視圖，相關(guān)度增加。強(qiáng)相關(guān)系統(tǒng)在被尖銳角瓣包圍的鏡面反射附近表現(xiàn)出抑制的漫反射強(qiáng)度。(d) 不同結(jié)構(gòu)因子的球形渲染圖像，Ag 粒子半徑為90 nm。(e) 在強(qiáng)相關(guān)系統(tǒng)的情況下，不同的視點(diǎn)和光源位置形狀的渲染圖像。圖5 由于短程結(jié)構(gòu)相關(guān)性導(dǎo)致的漫射暈的實(shí)驗(yàn)演示 ? 2022 Springer Nature(a) 在顯微鏡物鏡旁邊制造的厘米級(jí)超表面照片。漫射顏色的不同是由于用于制造兩個(gè)樣品的負(fù)抗蝕劑在兩個(gè)月的時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行老化處理。(b, c) 相應(yīng)的掃描電子顯微鏡顯微照片。(d) 不同光照和視角下超表面的照片序列。光源是太陽(yáng)模擬器的準(zhǔn)直光束。正如預(yù)測(cè)的那樣，弱相關(guān)的超表面（p?= 0.1，頂部）表現(xiàn)出幾乎均勻的漫反射顏色，與照明角度無(wú)關(guān)，而強(qiáng)相關(guān)的超表面（p ?= 0.5，底部）導(dǎo)致漫反射暈，其特征在于遵循鏡面反射方向的更暗和更亮的區(qū)域（白色箭）。四、【成果啟示】視覺(jué)外觀是一個(gè)比單獨(dú)的顏色更廣泛和更強(qiáng)大的概念。論文結(jié)果實(shí)現(xiàn)了關(guān)于如何使用納米尺度和中尺度的散射來(lái)控制宏觀尺度的視覺(jué)外觀的基本進(jìn)展。通過(guò)分層基底或設(shè)計(jì)粒子無(wú)序之間的相互作用會(huì)導(dǎo)致無(wú)數(shù)不同的鏡面反射和漫反射效果，并增強(qiáng)在觀察或照明方向變化時(shí)所感知到的動(dòng)態(tài)效果，這是傳統(tǒng)材料中沒(méi)有的。這些概念可以進(jìn)一步推廣到透射超表面，它可以作為窗戶和顯示器上的新型涂層，為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用提供新的功能。文獻(xiàn)鏈接：The visual appearances of disordered optical metasurfaces, 2022, DOI: 10.1038/s41563-022-01255-9.
