全色彩、连续灰度及高分辨率超表面纳米印刷术

Nanoprinting is a hot and challenging academic direction in the field of beam manipulation based on metasurfaces, which needs to exert the precise control ability of lightwave's color, polarization and intensity to the extreme at nano-scale. The project aims at full-color, continuous gray-scale and high-resolution metasurface nanoprinting. Starting from the study of spectral and polarization response characteristics of metal and dielectric nano-micro-nanostructure arrays, the project aims to explore the cell-by-cell localization of red-green-blue tricolor light in sub-wavelength metasurface structures by combining the physical principles of Mie’s resonance of micro-nano antennas and F-P cavity effect of dielectric layer. The physical mechanism and method of gray scale adjustment and color mixing are used to optimize the available metasurface micro-nanostructures; nanoprinting devices are fabricated based on metasurface structural materials, and the beam propagation model, evaluation system and analysis and testing methods of the devices are established; the optimization design methods, process preparation and device application of full-color, continuous gray-scale and high-resolution nanoprinting devices are studied. The project can theoretically clarify the mechanism and method of multi-dimensional simultaneous control of metasurface materials, and provide a new technical means for improving the performance of nanoprinting. It is expected to be applied in high-end compact display, optical storage, information hiding and security and many other related fields.

纳米印刷术需要在纳米尺度上将光波的颜色、偏振态和强度的精密调控能力发挥到极致，是超表面光场调控领域的热点和极具挑战性的学术方向。项目拟以全色彩、连续灰度和高分辨率的超表面纳米印刷术为研究目标，拟从研究金属及电介质纳米微纳结构阵列的光谱和偏振响应特性着手，再融合微纳天线的米氏共振、介质层F-P腔效应等物理学原理，探索红绿蓝三基色光局域在亚波长尺度超表面结构中的逐点灰度调节和混色的物理机制与方法，优化出可用的超表面微纳结构；基于超表面结构材料打造纳米印刷器件，建立器件的光束传输模型、评价体系和分析测试手段；研究全色彩、连续灰度和高分辨率的纳米印刷器件的优化设计方法、工艺制备和器件应用。项目理论上可厘清超表面材料实现光场多维度同步调控的机理和方法，应用上可为纳米印刷术的性能提升提供一种全新的技术手段，并有望在高端显示、光存储、信息隐藏等领域得到重要的应用。

超表面是一种近年来快速发展的新型人工结构材料，其是由在平面衬底上沉积的周期性亚波长结构组成。在光学波段，通过合理设计亚波长结构的几何形状、尺寸和朝向，超表面技术可以在纳米尺度上灵活地操纵光波的振幅、相位、偏振态等基础光参量，是存储和显示具有超高分辨率纳米印刷图像的优选技术。超表面作为一种新型的光学图像存储和显示平台，其存储图像的分辨率高达80k dpi，不仅远超过传统印刷术（如丝网印刷一般仅5k dpi），而且还兼具长寿命、零污染、颜色丰富等突出优点。基于以上背景，项目系统研究了基于超表面光场调控的纳米印刷术。以实现全色彩、连续灰度和高分辨率的超表面纳米印刷术为主要研究目标，系统研究了米氏共振、F-P腔效应、纳米结构的转角简并性等多种物理学原理及其纳米印刷应用，通过充分发掘超表面所具备的丰富设计自由度，使得超表面纳米印刷术从项目立项之初的单通道发展到现在的多通道、以及与全息术的多功能集成，并研究拓展了其在信息存储、光学防伪、信息加密、超紧凑显示等领域的应用。项目建立了多维度纳米印刷器件的光束传输模型、评价体系和分析测试手段，攻克了多层超表面纳米结构的高精度工艺制备和表征技术，完成了多维度超表面纳米印刷术的理论设计和技术平台建设工作，为后续研究奠定了较好的工作基础。研究过程中，在包括Science Advances、Advanced Materials、Nano Letters、ACS Nano、Light: Science & Advances等在内的国际权威期刊上发表期刊论文39篇，多篇论文入选ESI高被引甚至热点论文，多篇论文获优秀论文奖，入选编辑推荐或封面论文。项目执行期累计申请国家发明专利42件。