All-Dielectric Full-Color Printing with TiO2 Metasurfaces

结构着色 等离子体子 材料科学 半最大全宽 电介质 光电子学 光学 纳米结构 波长 平版印刷术 色域 纳米光子学 纳米技术 光子晶体 物理
作者
Shang Sun,Zhenxing Zhou,Chen Zhang,Yisheng Gao,Zonghui Duan,Shumin Xiao,Qinghai Song
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:11 (5): 4445-4452 被引量:416
标识
DOI:10.1021/acsnano.7b00415
摘要

Recently, color generation in resonant nanostructures have been intensively studied. Despite of their exciting progresses, the structural colors are usually generated by the plasmonic resonances of metallic nanoparticles. Due to the inherent plasmon damping, such plasmonic nanostructures are usually hard to create very distinct color impressions. Here we utilize the concept of metasurfaces to produce all-dielectric, low-loss, and high-resolution structural colors. We have fabricated TiO2 metasurfaces with electron-beam lithography and a very simple lift-off process. The optical characterizations showed that the TiO2 metasurfaces with different unit sizes could generate high reflection peaks at designed wavelengths. The maximal reflectance was as high as 64% with full width at half-maximum (fwhm) around 30 nm. Consequently, distinct colors have been observed in bright field and the generated colors covered the entire visible spectral range. The detailed numerical analysis shows that the distinct colors were generated by the electric resonance and magnetic resonances in TiO2 metasurfaces. Based on the unique properties of magnetic resonances, distinct colors have been observed in bright field when the metasurfaces were reduced to a 4 × 4 array, giving a spatial resolution around 16000 dpi. Considering the cost, stability, and CMOS-compatibility, this research will be important for the structural colors to reach real-world industrial applications.
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