等离激元核壳结构中的Fano共振特性及其增强透明显示性能的研究

How to improve the viewing-angle width, transparency and contrast is the key to achieve high performance transparent display. It will be one of the effective ways to improve the performance of transparent display by using core-shell nanoparticles with unique light scattering properties based on Fano resonances. In this project, we mainly focus on several key scientific problems for Fano resonance induced high performance transparent display. 1) We plan to study the physical mechanism of conventional Fano resonance and its effect on the far-field radiation patterns. The relationship between conventional Fano resonance and directional scattering is to be revealed. It is demonstrated that the narrow-band strong directional scattering based on conventional Fano resonance could improve the transparency and contrast of transparent display. 2) The project is also to study the mechanism of unconventional Fano resonance, and reveals the relationship between the resonance properties and the structural parameters. The unconventional single or multiple Fano resonances in visible spectral range are to be exploit to use in monochrome and color transparent displays with broader viewing angle, higher transparency and contrast. We will devote to developing new physical mechanism and actively explore its applications for SPs induced high performance transparent display, which may open a new way to optimize designing of transparent display.

如何提高视角宽度、透明度和对比度是实现高性能投射式透明显示器的关键。而等离激元纳米核壳结构中具有独特光散射特性的Fano共振，是提高透明显示性能的有效途径之一。本项目将围绕Fano共振提高透明显示性能所面临的关键科学问题，1)研究核壳结构中传统Fano共振产生的物理机制，及其对远场辐射形貌的调控规律；揭示传统Fano共振与定向散射的联系；发展构建窄带定向散射的新原理和新方法，并探索其在提高透明显示器透明度和对比度方面的应用；2)研究非传统Fano共振产生的物理机制，明确其共振特性与结构之间的关系；构建可见光波段的单重和多重非传统Fano共振，并探索其在改善单色和彩色透明显示器透明度、对比度和视角宽度方面的应用。本项目力图发展利用表面等离激元(SPs)提高透明显示性能的新机制，并在实验上积极探索其可行性，为设计制造高性能的透明显示器提供新的思路和新方法。

如何设计等离激元纳米结构，使之具有独特的散射性能（例如Fano共振和定向散射等），是提高透明显示器视角宽度、透明度和对比度的关键。本项目采用理论计算和实验相结合的方法，通过研究等离激元纳米结构在电磁波激发下的多种共振模式（例如电模、磁模、球模和腔膜等）特点，及其相互作用伴随的远场辐射性能，来探索利用这些纳米结构体系增强透明显示性能的可行途径与物理机制，同时开展了透明显示屏的制备和性能研究。主要研究内容包括： ①利用单个金属-低介电-高介电纳米核壳结构，通过构建第一Kerker条件和利用前两阶电磁模式的相互作用，同时实现了零背向和接近于零的前向散射，并利用该纳米核壳结构阵列实现了高透射和高反射。② 研究介质-等离激元层交替包裹的纳米核壳结构呈现的非传统Fano共振特性。首先说明这里的Fano共振起源于相同阶次Mie模式间的相互干涉，属于非传统Fano共振；进一步说明了所获得的Fano共振与偏振、观察角和背景介质无关；此外，我们还证明了通过控制结构参数可以精确地调整Fano共振的光谱位置。这种非传统的单重或多重Fano共振可用于提高单色或彩色透明显示器的性能；③ 利用简单的金-介质纳米核壳结构，通过在介质层引入增益，能够实现窄带强散射，可用于提高透明显示的信号光亮度和透明度；④ 利用银球颗粒，研究了颗粒的共振及其耦合特点，在实验上制备出具有宽视角、高透明度和对比度的彩色透明显示屏。这些研究结果能够为设计制造高性能的透明显示器提供新的思路和新方法。