以下文章来源于ACS材料X ，作者ACS Publications
英文原题：Visible Metamaterial Using a Lithium Niobate Nanoring Structure for Stretchable Color Sensing Application
通讯作者：林佑昇 中山大学电子与信息工程学院
作者：Daoye Zheng (郑导野), Weikai Huang (黄炜恺) , Kunlin Chen (陈坤霖)，Yu-Sheng Lin (林佑昇)
背景介绍
超材料是一类人工设计制备的亚波长微纳光学结构阵列，展现出传统材料难以实现的一系列新颖光学特性，对电磁波的振幅、偏振、相位等物理量具有强大的调控能力。高质量结构色的生成与调控是可见光波段超材料器件的重要研究方向。基于表面等离激元共振或Mie散射原理的光学微纳结构可反射、透射或吸收特定波长的光，从而产生高质量结构色。然而，受制于不可忽视的损耗，基于金属或硅的超材料器件往往效率低下。而透明介质材料如氮化硅、二氧化钛、铌酸锂等具有较宽的光学透明窗口，可有效降低超材料器件的损耗。但由于高阶多极子共振的存在，介质超材料结构色仍面临色域较窄、色纯度较低等挑战。
文章亮点
近日，中山大学(Sun Yat-Sen University，SYSU)林佑昇副教授团队结合其前期工作基础，提出一种由铌酸锂(LiNbO₃)纳米环(LiNbO₃ nano ring, LNR)结构和聚二甲基硅氧烷(PDMS)衬底组成的可见光超材料。基于Mie散射原理，LNR可支持强磁偶极子共振(magnetic dipole resonance，MDR)。借由表面晶格共振原理，调控磁偶极子谐振波长与瑞利异常(Rayleigh anomaly，RA)波长，使Mie谐振与衍射级次发生强耦合，提高MDR品质因子(quality-factor, Q-factor)的同时有效抑制了短波长区域的多极子共振。可调控因素包括超材料结构单元几何参数、周期、衬底折射率及背景折射率。根据仿真计算结果，LNR超材料可产生强度接近100%，半高宽小于9 nm的单反射峰，色域面积为1.32倍sRGB色域。此外，得益于PDMS衬底的可拉伸特性，LNR超材料有望借助机械拉伸改变单元结构周期，从而实现对反射颜色的主动调控。同时，LNR超材料对环境折射率变化具有较高的敏感度，其最高传感优值(figure of merit，FOM)可达311.11 RIU⁻¹。这表明LNR超材料在可拉伸光电器件、结构色产生、可见光通信滤波和生化传感等方面具有应用潜力。
本文首先设计了圆环形铌酸锂超材料，基于多极子展开法分析了光学共振机制，通过仿真计算研究了衬底折射率和几何结构参数对超材料性能的影响。如图2，固定超材料几何结构参数，逐渐增大衬底折射率到1.4，RA波长逐渐红移至MDR波长附近，反射光谱由多反射峰相单反射峰转变，反射峰Q-factor明显提升。从而采用折射率在1.4附近，并具有可拉伸特性的PDMS作为衬底材料。通过优化超材料单元结构几何参数，可获得半高宽小于9 nm，Q值为76 ~ 103，色域面积为1.32倍sRGB色域的高质量反射型结构色。
图2. (a) LNR结构超材料示意；(b) 不同衬底折射率下的反射光谱；(c) 对应的多极子展开结果；(d) 优化结构参数后的反射光谱；(e) 结构色对应的CIE1931色坐标表示。
超材料结构单元的周期参数同样会对光学特性产生重要影响。如图3，当周期参数较小时，LNR超材料的反射峰较宽，且能激发高阶多极子共振。随着周期参数的增大，RA波长逐渐红移，当高阶Mie谐振波长小于RA波长时，高阶Mie谐振将由于衍射而被抑制，而MDR与RA耦合增强，谐振Q-factor明显增大。当RA波长继续红移时，磁偶极子谐振波长也落在衍射区内，其谐振强度被抑制，反射峰强度逐渐减弱至消失。随着周期的增加，反射颜色由蓝光区域向绿光、红光区域过渡，这也表明LNR超材料具有可拉伸调控的潜力。
图3. (a-c) 三组几何结构参数条件下改变结构单元周期对应光谱；(d) 对应的CIE1931色坐标表示。
LNR超材料同样对背景折射率变化敏感。超材料阵列的衍射特性受背景折射率影响，如图4所示，随着背景折射率增加，透射型衍射对应的RA₁保持不变，反射型衍射对应的RA₂逐渐红移，光谱也有单反射峰逐渐转化为双反射峰并随之发生明显红移，分别对应电偶极谐振和磁偶极谐振。电偶极谐振先与RA₁强耦合产生高Q值，随后由于其红移导致Q值下降，而与RA₂的耦合致使其Q值有所上升，最大灵敏度和FOM分别为292 nm/RIU和129.78 RIU⁻¹。磁偶极谐振则保持红移，且Q值上升，最大灵敏度和FOM值分别为196 nm/RIU和311.11 RIU⁻¹。
图4. (a-c) 改变背景折射率对反射光谱的影响；(b, c) 折射率传感Q值、灵敏度、FOM。
总结/展望
本文提出一种LiNbO₃纳米环结构全介质超材料，通过调控Mie谐振与超材料阵列衍射的耦合特性激发窄带宽、高强度的单反射峰，可高效产生具有高色纯度的结构色。LNR超材料可产生从蓝色到红色的多种颜色，反射强度接近100%，FWHM值窄至9 nm以下。此外，LNR超材料还显示出通过机械拉伸PDMS衬底来实现主动可调谐滤光的潜力。LNR超材料也具有折射率传感能力，电偶极谐振的最大灵敏度和FOM值分别为292 nm/RIU和129.78 RIU⁻¹，磁偶极谐振的最大灵敏度和FOM值分别为196 nm/RIU和311.11 RIU⁻¹。这些特性表明所提出的LNR超材料在结构色生成和传感方面具备很大的应用潜力。
相关论文发表在期刊ACS Materials Letters上，中山大学硕士研究生郑导野、黄炜恺为文章共同第一作者，林佑昇副教授为通讯作者。
通讯作者信息：
林佑昇 中山大学
林佑昇博士在2011年获新竹国立清华大学纳米工程与微系统研究所博士学位。2012年至2014年，入职新加坡国立大学电子与计算机工程系，担任资深研究员。迄今，在广州中山大学电子与信息工程学院担任副教授。专长研究方向包括纳微米机电系统芯片；光传感芯片；可调控超材料；纳米光子学；太赫兹光学；红外光学；微流控芯片；纳米材料。
累计发表SCI期刊论文111篇，H-index: 33，五年内(2019-2023)以第一、通讯作者发表SCI论文85篇；其中ESI热点论文2 篇；高被引论文8 篇；主编精选文章 3篇。获Wiley VCH 出版社邀请撰写英文专著一部；获国际专利1项；授权国家发明专利2项；授权实用新型专利2项；荣获国际先进材料协会会士(总部：瑞典)；荣获2022年国际先进材料协会科学家奖(总部：瑞典)；荣获Photonics Research 2021年度主编推荐奖；六次担任国际会议委员会成员；担任微机械杂志专题顾问团成员；获邀担任Current Chinese Science学术期刊主编；担任Frontiers in Materials、Micromachines 学术期刊客座主编。目前担任广东省科学技术厅专家评审委员、新加坡科技研究局科学与工程研究委员会项目评审委员、法国国家研究总署重点研发项目评审委员。
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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