英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
动态等离子彩色显示器
基于工程超表面的等离子彩色打印因其前所未有的亚波长分辨率和高密度光学数据存储而彻底改变了彩色显示科学。然而，具有新颖功能（包括动态多色打印、动画和高度安全的加密）的先进等离子显示器仍处于起步阶段。在这里，我们展示了一种动态等离子体彩色显示技术，该技术使用催化镁超表面实现上述所有功能。作为动态像素的组成镁纳米颗粒的受控氢化和脱氢允许等离子体彩色打印、调谐、擦除和颜色恢复。不同的动态像素具有不同的颜色转换动力学，可实现等离子动画。
基于金属超表面的等离子颜色生成提出了一条令人兴奋的新途径，以产生分辨率远远超出当前显示技术限制的彩色图像1-8。尽管在初期阶段，等离子体颜色生成方面已经取得了重大进展，包括在光学衍射极限1-3下实现彩色显示器，可扩展的全彩色变色印刷4-7,主动可调等离子表面8-11,等离子彩色激光打印12。除了这些主要应用之外，等离子彩色显示技术在立体成像13、高密度数据存储13、14和防伪应用4、15方面也具有巨大潜力。然而，该领域的快速发展不可避免地需要具有先进功能的等离子显示器，例如动态多色打印、动画和高度安全的加密。
在这项工作中，我们展示了一种基于催化 Mg 超表面的动态等离子体显示技术。与其他与较差的光学响应相关的储氢金属如钯 (Pd) 16和钇17不同，Mg 在高频18- 21表现出优异的等离子体特性。例如，镁纳米结构已用于紫外光谱范围内的手性传感和可见光谱范围内的氢传感20、21。最重要的是，Mg 纳米粒子独特的氢化/脱氢动力学非常适合创建动态等离子体系统。在这里，我们连续展示了具有高可逆性的等离子体微印显示器、具有亚波长分辨率的等离子体动画和高度安全的等离子体加密。我们的工作将利用具有纳米级可控性的等离子体动态像素激发迷人的彩色显示应用。
结果
动态等离子体彩色显示器的工作原理
我们的动态等离子体彩色显示技术的概念在图1a。动态等离子体像素包括夹在钛 (Ti)/Pd覆盖层和Ti粘附层之间的Mg纳米颗粒。这些粒子驻留在由硅衬底支撑的二氧化硅膜（100 nm）上。为了呈现具有广泛范围的颜色调色板，采用了横向粒度s和粒子间距离d的逐步调整。每个呈现特征颜色的正方形 (10 mu;m) 包含以s和d的周期性排列成晶格的Mg颗粒。
图1，动态等离子体彩色显示器的工作原理和光学表征。
( a ) 由氢响应性 Mg 纳米粒子与入射的非偏振白光相互作用组成的等离子超表面示意图。这些Mg纳米颗粒夹在Ti/Pd覆盖层和Ti粘附层之间。在每个颜色正方形（10 mu;m）中，它们沿两个方向排列成一个周期为s d的格子。s和d分别是方形颗粒的大小和颗粒间的距离。通过从Mg到MgH 2的相变，等离子超表面的颜色可以在氢暴露时被擦除。通过将MgH 2转化回Mg，可以在氧气暴露后恢复颜色。(b)通过逐步调整s和d获得的调色板。（d）从b中选择的颜色方块的实验（黑色）和模拟（蓝点）反射光谱。为清楚起见，光谱曲线向上移动。在( c )和( d )中，所选颜色对应于使用沿b中水平（垂直）方向的实心（虚线）正方形表示的颜色。实验和模拟颜色以及结构的相应 SEM 图像。红色虚线表示反射峰的偏移。( e ) 所选颜色方块在氢暴露下随时间 ln 的颜色演变(t)。灰色虚线表示两种情况下的颜色消失时间。
使用反射明场显微镜可以显示调色板中的绚丽色彩，如图所示图1b。 使用数值孔径(NA)为0.4的20 times;物镜捕获调色板的电荷耦合器件(CCD)图像。代表性颜色方块的光谱分析（由图中的单个水平和垂直框表示）图1b)进行并呈现在图 1c,d。相应结构的扫描电子显微镜(SEM)图像也包含在同一图中。代表性结构的放大SEM图像可以在补充图1中找到。当d连续增加时（s =150 nm），观察到广泛的颜色（见图 1c）。随着d的增加，反射峰表现出明显的红移（见红色虚线），因此周期性s d增加。由蓝色虚线表示的相应模拟反射光谱显示出与实验光谱的总体良好一致性。使用模拟反射光谱和Commission Internationale de lEacute;clairage (CIE)1931颜色匹配函数的模拟颜色与观察到的颜色非常吻合。另一方面，当s连续增加时（d =300 nm），颜色调整不那么显着（参见图1d）。随着s的增加，反射峰经历红移（见红色虚线）。同时，在较短的波长处观察到一个新的反射峰。蓝色虚线表示的相应模拟光谱和模拟颜色都与实验结果吻合良好。有关光谱和颜色模拟的详细信息可以在方法中找到。
为了阐明观察到的光谱特性的基本物理特性，分别计算了依赖于d（参见补充图2a）和s（参见补充图 2b）的共振位置的等高线图。来自单个镁纳米粒子的局部表面等离子体共振(LSPR) 22、23和粒子阵列的瑞利-伍德异常(RA)的贡献分别用黑色和白色线表示。如补充图 2a、b所示，位于黑色和白色实线之间的较长波长反射峰与混合等离子体模式相关联24，这源于Mg/SiO 2界面的 LSPR和RA的激发。空气/Mg界面的RA由白色虚线表示。
为了更深入地了解等离子体模式的机制，作为一个代表性的例子，各个共振位置的电场和电荷分布（由图中的红色箭头表示，图1d）计算颜色方块 ( s 150, d 300)。在710 nm的共振处，电荷分布揭示了Mg纳米颗粒中偶极 LSPR模式的激发（参见补充图3a）。相应的电场分布表明电场被限制在靠近 Mg/SiO 2界面的颗粒角落。在430 nm的共振处，电荷分布揭示了四极LSPR模式的激发（参见补充图 3b）。相关的电场位于靠近空气/镁界面的颗粒角落。
等离子体像素的动态行为是通过Mg响应氢25-30的独特相变来实现的。Mg可以吸收高达7.6 wt%的氢，随后经历金属到电介质的转变，形成氢化镁(MgH 2 )（参考文献25）。这种非凡的容量在氢吸收能力方面超过了所有已知的可逆金属氢化物。在氢暴露后，Pd覆盖层催化氢分子解离成氢原子，然后氢原子通过Ti覆盖层扩散到Mg颗粒19、20、28。Ti粘附层和覆盖层有助于释放Mg (32%)和Pd (11%)的体积膨胀产生的机械应力。Ti覆盖层还具有作为隔离物的重要作用，以防止Mg和Pd合金化19、20。补充电影1中介绍了在10%氢气暴露（在氮气载气中）时记录调色板颜色动态的电影。不同的颜色方块会经历一系列生动的颜色变化，直到所有颜色都消失。加氢过程相当复杂，基本上与颗粒的金属部分逐渐减少有关，形成MgH 2作为介电包围，同时混合粒子体积膨胀。如补充图4a所示，这种催化过程使反射光谱的动态变化成为可能，从而导致动态颜色变化。氢化后，反射光谱变得几乎没有特征，如从补充图 4a和5中的实验和模拟反射光谱观察到的。当所有的Mg颗粒转变为MgH 2颗粒时，调色板的颜色就被抹去。不同照明强度下调色板的光学图像可以在补充图6中找到. 值得一提的是，加氢过程中的颜色变化速度可以通过几个关键参数来控制，包括Pd催化层的厚度、氢气浓度和衬底温度。在这项工作中，如果没有特别说明，则在不同的显示演示中使用10 nm Pd、10%氢和室温。
为了探索氢化过程中的颜色转变动力学，研究了示例性颜色方块的演变，如图1e. 快照图像是从补充电影1中提取的，并按照ln(t)的函数排列。中的上图图 1e对应于颜色方块的演变，其中组成的Mg颗粒具有相同的尺寸但不同的颗粒间距离。它说明了随着时间的推移，更小的粒子间距离与更丰富的颜色变化相关，表现出从黄色、红色、蓝色、褪色到完全消色的动态过渡。相反，较大的颗粒间距离基本上与蓝色减少过程相关。有趣的是，不同颜色方块的擦除时间几乎相同（见垂直的灰色虚线）。底部的图在图1e呈现了颜色方块的演变，其中Mg颗粒具有相同的颗粒间距离但大小不同。如倾斜的灰色虚线所示，不同颜色方块的擦除时间显着不同。显然，含有较小镁颗粒的彩色方块比含有较大颗粒的彩色方块消失得更快。这阐明了Mg纳米粒子的尺寸依赖性氢化动力学。
重要的是，可以通过在氧气19、20存在下镁颗粒的脱氢来恢复被擦除的颜色。这种可逆的颜色转换对于动态显示应用非常重要。补充电影2中介绍了在 20%氧气（在氮气载气中）浓度下记录调色板颜色恢复的电影。脱氢过程中代表性颜色方块的动态反射光谱可以在补充图4b中找到。氧化脱氢过程涉及氧与从 MgH 2中解吸的氢原子结合形成H2O（参考文献29、30）。这避免了氢在Pd表面的积累，从而促进了氢的解吸。如补充电影2所示，调色板的颜色可以很好地恢复。这表明MgH 2颗粒被转化回Mg颗粒，因此再次显示出绚丽的色彩。调色板的动态CIE映射和在图1c在加氢/脱氢过程中可以分别在补充图7和图8中找到。
当调色板的颜色分别沿着氢化和脱氢路径演变时，就会观察到滞后现象。这也可以从所选颜色方块的记录动态光谱中看出，如补充图4所示。滞后行为可归因于颗粒几何形状的不同变化，Mg颗粒中的局部氢浓度以及加氢和脱氢过程中Mg/MgH 2界面的传播方向。已经提出了一个简单的模型，即在氢化后直接在氢化的Ti层下方形成一层MgH 2并且它向衬底19前进. 由于Mg颗粒的有效厚度减小，这导致连续的光谱红移（参见补充图4a）。随后，在脱氢过程中，光谱表现出具有滞后的光谱偏移（参见补充图 4b）。对镁颗粒中复杂的加氢和脱氢过程进行系统研究，例如，使用环境透射电子显微镜和原子力显微镜，对于深入了解镁颗粒中的局部催化动力学及其相关的动态光学是非常可取的。
max-planck-society的minerva标志的动态显示
这种基于催化超表面的等离子体颜色调谐、擦除和恢复为各种动态彩色显示应用开辟了道路。一个直接的应用是产生高质量的颜色可调等离子微印。作为演示，Max-Planck Society的Minerva标志已使用选定的颜色进行准备，调色板中相应的矩阵编号显示在图2a. 关于布局生成方法的描述可以在补充图9中找到。关于颜色的NA依赖性和角度依赖性的讨论可以在补充图10中找到。氢化和脱氢过程中所选颜色方块的代表性快照图像显示在图2a. 说明Minerva徽标细节的 SEM图像显示在图 2b。图2c显示了动态等离子体显示器的性能，随附的电影可以在补充电影3中找到。加载氢后，Minerva标志会随着各个色块的变化而发生动态颜色变化图2a）。在23秒内会发生一系列突然的颜色变化。随后，标志开始褪色并在566秒后完全消失。由于构成Mg纳米粒子的尺寸相同，徽标中的不同颜色几乎同时被擦除，如在图1e. 在氧气暴露后，徽标会逐渐恢复到其初始状态，而不会发生剧烈的颜色变化（参见补充电影4）。恢复过程需要约2,224秒才能完成。为了提高我们样品的耐用性，已经对制造程序进行了详尽的优化（参见方法）。作为出色的可逆性和耐用性的证明，Minerva徽标显示在多个循环中的操作显示在补充电影5中。
图 2，动态颜色擦除和恢复 Max-Planck-Society 的 Minerva 标志微印。
( a ) 在氢化和脱氢过程中用于构建Minerva标志的所选颜色的颜色演变，分别。( b ) Minerva标志的概述和放大的SEM图像。I和II中的比例尺为5mu;m。( c ) Minerva标志在氢化和脱氢过程中的光学显微照片，分别用于颜色擦除和恢复。比例尺：20 mu;m。( d ) 通过关闭氢气，颜色状态“冻结”。
我们的显示技术的一个有趣的功能是在任何指定的显示状态下图像“冻结”，这是由于Mg独特的氢化过程，它可以在全金属态(Mg)和全介电态(MgH 2)之间暂停。为了证明这一点，在一个新的加氢循环中，如图所示图2d，标志显示通过关闭氢气保持在任意状态。例如，在11秒时，氢气被关闭，仅存在纯氮气。结果，动态过程立即停止，徽标显示在特定颜色状态下“冻结”（参见图 2d）。当氢气再次开启时，动态过程随后继续进行。相应的电影在补充电影5的第二个循环中呈现。
等离子体亚波长动画
值得注意的是，Mg粒子独特的颜色转换动力学允许实现具有亚波长分辨率的第一个等离子体动画。为了演示此功能，设计了各种烟花，如图3a。调色板中所选颜色的矩阵编号标记在各个烟花方案旁边。潜在的设计机制之一在于不同尺寸但相同颗粒间距离的镁颗粒在氢化过程中会经历显着不同的颜色擦除时间。为此，烟花I和IV旨在显示径向爆炸效果。Firework V是一个螺旋传播的动画。FireworkII结合了径向和螺旋效果。相反，烟花III的内部基本上采用了尺寸相同但颗粒间距离不同的Mg颗粒，这使得传播动画具有丰富的色彩变化。烟花III的最外层采用了与烟花I相同的设计原理。图3b展示了制造的等离子体烟花表演的光学显微镜图像。补充电影6中显示了在氢暴露时记录烟花动画的电影。加氢过程中烟花的代表性快照图像显示在图3c. 所有的烟花都展示了动态的动画效果，这与我们的设计非常吻合。例如，气球烟花I显示出清晰的径向爆炸效果，沿径向轴发出波浪状的颜色变化，从黄色变为橙色。之后，橙色沿向后方向逐渐减弱，直到烟花完全消失。螺旋烟花V呈现出生动的传播效果，沿着螺旋路线，蓝色逐渐从外部消失。
图 3，等离子体亚波长动画。
( a ) 具有不同动态效果的烟花动画示意图。( b ) 烟花的光学显微照片。( c ) 烟花动画随时间ln(t)的选定快照，说明了各个动态效果。
高度安全的信息加密
重要的是，我们的动态等离子体显示技术非常适合高度安全的信息加密和防伪应用4、15。为了达到更高的安全级别，已经开发了一种具有智能材料处理的制造协议。制作过程如图所示图4a。第一个信息图案（例如，字母“N”）使用电子束光刻(EBL)在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)抗蚀剂中定义，然后是Ti/Mg/Ti (3 nm/50 nm/ 5 nm) 使用电子枪蒸发器蒸发。随后，将样品置于环境空气中10分钟，然后加载回蒸发器进行Pd (10 nm) 蒸发。剥离后，使
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[590768]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
