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发布时间:2019-11-08

  哈工大报讯(巫云开 文/图)近日,哈工大(深圳)“微纳光电信息系统理论与技术”工业和信息化部重点实验室实现了二氧化钛结构色的动态且可逆调控,并首次将超构表面用于光催化效率的增强,为能源利用及环境治理领域提供了新思路。相关研究论文发表于国际著名学术期刊“Science Advances”(影响因子:12.804)上。中国丝绸博物馆对实物进行检测显示,本港台开

  研究论文《二氧化钛超构表面:从平面可见光光子学到光化学》(TiO2metasurfaces: From visible planar photonics to photo chemistry)致力于探索出可稳定、动态且可逆地改变二氧化钛消光系数的工艺,实现二氧化钛超构表面结构色的动态调控,并将超构表面对可见光的局域、增强效果拓展到光化学领域,实现了学科交叉的结合,有望在未来探索出更多有趣的应用。

  传统的显色方法是利用特定物质吸收部分光,好日子高手心水论坛,反射其他光的性质来实现,例如染料、油漆、织布等,但其色彩纯度、分辨率往往不高。而自然界存在着另一种更优异的显示工具——结构色,如孔雀羽毛,利用亚波长尺寸的微纳结构对光线的散射、衍射等作用,便能呈现出极其逼真、鲜艳的颜色。受此启发,结构色以其高饱和、高稳定性和高分辨率的优势,备受科研人员的关注,结构色显色也成为了超构表面的一大重要的应用领域。

  光学加密是超构表面结构色的一大重要应用领域,而现有技术,如依赖于外部环境改变(如激光或微流体)和拉伸的技术,在便携应用中仍然面临着严峻的挑战。相比之下,基于材料本身性能改变的动态色彩更适合于便携式设备。基于此,该研究团队开发出一种与CMOS兼容的技术,可以动态且可逆地实现二氧化钛和黑色二氧化钛之间的转化,从而达到结构色的擦写和再现,实现构筑信息的动态加密和解密,具有较高的循环稳定性,大大拓展了超构表面在实际显色、加密、信息存储等领域的应用。如图1:

  图1:该技术可以几乎无损耗且可逆地将二氧化钛转化为黑色二氧化钛(图1a),而不会破坏其内部纳米结构。当二氧化钛转化为黑色二氧化钛后,其在可见光内的吸收会显著提升,从而使二氧化钛超构表面原本呈现出的结构色变得暗淡,难以辨认(图1b和c),而隐匿的颜色信息可以通过将黑色二氧化钛重新变白而重新显现(图1c)。

  除了远场的散射或干涉效应,被微纳结构局域的电场或磁场也有极其巨大的应用潜力。对于半导体材料,当入射光的光子能量大于材料导带和价带之间的禁带宽度,便能把价带上的基态电子激发到导带形成光生电子,同时在价带留下光身空穴。若光生电子和空穴能迁移到材料表面,则有机会在材料表面参与一系列的化学反应,如还原金属离子,降解有机污染物,降解水等。二氧化钛本身便是性能优异的光催化材料,在近几年又成为优秀的超构表面构筑材料,但从未有任何研究将二氧化钛超构表面与光化学领域的应用相结合。

  通过构筑亚波长尺寸的微纳结构,可以把特定波长的光局域在近场,激发出低阶甚至高阶的电极子或磁极子,它们反过来又会与材料中的电子产生强烈的相互作用,从而激发出更多的高活性电子,使得材料本身的量子效率大大提升。基于此,研究团队利用微纳结构对光场的谐振增强作用,将黑色二氧化钛的光催化效率提升了18.7倍,同时实现了二氧化钛超构表面窄带波长依赖光催化的应用,将会给光催化技术提供更多更有趣的应用空间,也将为能源利用及环境治理领域提供新思路。如图2:

  图2:利用黑色二氧化钛超构表面对所设计波段的光场谐振增强作用来进一步提升黑色二氧化钛本身的光催化性能(图2a)。同时,由于二氧化钛超构表面产生的谐振增强峰很窄,超构表面对光催化的谐振增强作用只在设计的峰位附近最强,而在其他波段几乎没有增强(图2b)。

  哈工大(深圳)材料科学与工程学院2017级博士生巫云开、杨文宏为共同第一作者,肖淑敏教授和宋清海教授为共同通讯作者,哈工大(深圳)为唯一完成单位和通讯单位。


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