山东大学在光学超材料和超表面领域取得重要进展

近日，山东大学化学与化工学院国家胶体材料工程技术研究中心王旭教授、王倩倩副研究员联合清华大学深圳国际研究生院在光学超材料和超表面领域取得重要进展。

通过调控金属氧化物外层有机配体，团队设计合成了一种具有高溶解度和可烧结的氧化锆纳米粒子（MAA/BA-ZrO2 NPs），并以一种简单、高效的溶液处理方法用于制备高质量的结晶ZrO2薄膜和超表面,从而实现高效、偏振可调的结构颜色。相关成果以“Solution Processing of Zirconium Oxide Metasurfaces for Tunable Structural Colors”为题，发表于光学领域权威期刊ACS Photonics。

全介电超表面因光学损耗低、光学响应多样而备受关注。然而，大多数超表面由不可溶液加工的材料构成，制造过程依赖真空沉积和光刻技术，严重制约了其可扩展制造与实际应用。针对这一挑战，该研究利用ZrO2核心周围有机配体的电荷屏蔽作用，制备了由不同热稳定性配体（甲基丙烯酸MAA和苯甲酸BA）修饰的MAA/BA-ZrO2 NPs。这些颗粒不仅具有优异的溶解性和分散性，能够通过旋涂法直接成膜，还可在高温烧结过程中依次、分阶段分解，有效延缓应力积累并抑制薄膜裂纹。所得薄膜具有均匀的微观结构，实现了稳定的高折射率与低光学损耗，并能通过Mie共振显著增强光学响应。

基于ZrO2薄膜与SiO2衬底的高折射率对比，研究团队模拟了ZrO2纳米光栅超表面的双折射特性，并分析了其显色机理。随后，利用聚焦离子束技术制备了ZrO2介电超表面，并对其静态光学性能和动态色彩切换能力进行了实验验证。在交叉偏振模式下，超表面不仅呈现从紫色到红色的宽广颜色范围，实验色域达到标准sRGB空间的约103%，通过策略性地组合偏振器/分析仪方向与光栅几何结构，ZrO2超表面还可实现动态彩色模式调制，直观体现了其在安全显示和信息隐藏中的潜力。进一步，团队利用双折射ZrO2超表面设计了彩色QR码（像素尺寸仅1.5 μm × 1.5 μm）。该QR码可被正常扫描，但提取信息需要输入密码。通过旋转样品获取色块的颜色信息，并依据颜色编码表解析出最终密码。输入正确密钥“2G6F”后，加密数据被成功解密为一幅生动的熊猫图像。该方案解密概率低至1/109,600，通过颜色-偏振-密钥三重加密策略，显著提升了数据安全性。

综上，该工作合成的金属-有机杂化ZrO2 NPs为全介电超材料设计提供了变革性材料平台。通过直接旋涂和后烧结工艺，即可制备光滑致密的晶圆级ZrO2薄膜，该薄膜兼具高折射率（波长400 nm处约2.0）、固有宽带隙和可见光范围近零吸收。所得超表面展现出显著的双折射和动态、稳定、鲜艳的颜色调制能力，在可见光超表面与结构色应用中具有潜力。相比依赖复杂真空沉积和光刻设备的传统技术，该溶液加工策略既克服了无机颗粒复合树脂材料的低折射率限制，又在工艺简便性与光学性能之间实现了理想平衡，有力推动了无机-有机杂化金属氧化物纳米颗粒在光子器件和光学加密中的实际应用。