beplay2网页登录訊 近日，哈工大（深圳）“微納光電信息係統理論與技術”工信部重點實驗室實現了二氧化鈦結構色的動態且可逆調控，並首次將超構表麵用於光催化效率的增強，為能源利用及環境治理領域提供了新思路。相關研究論文發表於國際著名學術期刊“Science Advances”（影響因子：12.804）上。
研究論文《二氧化鈦超構表麵：從平麵可見光光子學到光化學》（TiO2 metasurfaces: From visible planar photonics to photo chemistry）致力於探索出可穩定、動態且可逆地改變二氧化鈦消光係數的工藝，實現二氧化鈦超構表麵結構色的動態調控，並將超構表麵對可見光的局域、增強效果拓展到光化學領域，實現了學科交叉的結合，有望在未來探索出更多有趣的應用。
在顯色領域：
拓展超構表麵在實際顯色、信息加密、信息存儲等領域的應用
傳統的顯色方法是利用特定物質吸收部分光，反射其他光的性質來實現，例如染料、油漆、織布等，但其色彩純度、分辨率往往不高。而自然界存在著另一種更優異的顯示工具——結構色，如孔雀羽毛，利用亞波長尺寸的微納結構對光線的散射、衍射等作用，便能呈現出極其逼真、鮮豔的顏色。受此啟發，結構色以其高飽和、高穩定性和高分辨率的優勢，備受科研人員的關注，結構色顯色也成為了超構表麵的一大重要的應用領域。
光學加密是超構表麵結構色的一大重要應用領域，而現有技術，如依賴於外部環境改變(如激光或微流體)和拉伸的技術，在便攜應用中仍然麵臨著嚴峻的挑戰。相比之下，基於材料本身性能改變的動態色彩更適合於便攜式設備。基於此，該研究團隊開發出一種與CMOS兼容的技術，可以動態且可逆地實現二氧化鈦和黑色二氧化鈦之間的轉化，從而達到結構色的擦寫和再現，實現構築信息的動態加密和解密，具有較高的循環穩定性，大大拓展了超構表麵在實際顯色、加密、信息存儲等領域的應用。如圖1：
圖1：該技術可以幾乎無損耗且可逆地將二氧化鈦轉化為黑色二氧化鈦（圖1a），而不會破壞其內部納米結構。當二氧化鈦轉化為黑色二氧化鈦後，其在可見光內的吸收會顯著提升，從而使二氧化鈦超構表麵原本呈現出的結構色變得暗淡，難以辨認（圖1b和c），而隱匿的顏色信息可以通過將黑色二氧化鈦重新變白而重新顯現（圖1c）。
在光催化領域：
學科交叉為能源利用及環境治理領域提供新思路
除了遠場的散射或幹涉效應，被微納結構局域的電場或磁場也有極其巨大的應用潛力。對於半導體材料，當入射光的光子能量大於材料導帶和價帶之間的禁帶寬度，便能把價帶上的基態電子激發到導帶形成光生電子，同時在價帶留下光身空穴。若光生電子和空穴能遷移到材料表麵，則有機會在材料表麵參與一係列的化學反應，如還原金屬離子，降解有機汙染物，降解水等。二氧化鈦本身便是性能優異的光催化材料，在近幾年又成為優秀的超構表麵構築材料，但從未有任何研究將二氧化鈦超構表麵與光化學領域的應用相結合。
通過構築亞波長尺寸的微納結構，可以把特定波長的光局域在近場，激發出低階甚至高階的電極子或磁極子，它們反過來又會與材料中的電子產生強烈的相互作用，從而激發出更多的高活性電子，使得材料本身的量子效率大大提升。基於此，研究團隊利用微納結構對光場的諧振增強作用，將黑色二氧化鈦的光催化效率提升了18.7倍，同時實現了二氧化鈦超構表麵窄帶波長依賴光催化的應用，將會給光催化技術提供更多更有趣的應用空間，也將為能源利用及環境治理領域提供新思路。如圖2：
圖2：利用黑色二氧化鈦超構表麵對所設計波段的光場諧振增強作用來進一步提升黑色二氧化鈦本身的光催化性能（圖2a）。同時，由於二氧化鈦超構表麵產生的諧振增強峰很窄，超構表麵對光催化的諧振增強作用隻在設計的峰位附近最強，而在其他波段幾乎沒有增強（圖2b）。
哈工大（深圳）材料科學與工程學院2017級博士生巫雲開、楊文宏為共同第一作者，肖淑敏教授和宋清海教授為共同通訊作者，哈工大（深圳）為唯一完成單位和通訊單位。
（beplay2网页登录 林劍 通訊員 巫雲開）
