通过具有均匀腔体设计的空间图案化阳极氧化铝实现类似艺术品的多彩结构着色

《Materials Horizons》：Artwork-like multicolor structural coloration via spatially patterned anodic aluminum oxide with uniform-cavity design

阳极氧化铝（AAO）介电层空间图案化调控有效折射率实现多色共振的MIM结构光子学技术。通过局部阳极氧化条件调制AAO纳米多孔结构，在恒定厚度（250 nm）空腔中解耦光学共振与几何约束，利用孔隙率驱动折射率变化（1.1-1.8）调控RGB主色波长（700/521/441 nm），突破传统光刻限制。采用工业成熟阳极氧化工艺（如硫酸/草酸电解液体系），通过简单局部掩膜和单次遮罩沉积实现艺术图案复刻，柔性基底弯曲测试验证机械稳定性。实验测得红/绿/蓝峰值透过率分别为46.6%/31.04%/33.33%，光谱半高宽15-25 nm，SEM显示AAO层表面粗糙度约8.55 nm。该技术为大规模柔性显示、防伪标签、可穿戴光学器件提供新范式，无需复杂光刻设备，与航空铝材加工兼容，实现从亚微米结构到厘米级艺术图案的跨尺度制造。

　　在现代科技与艺术的交汇点上，研究人员正致力于开发一种全新的方法，以实现既具有科学精确性又具备艺术表现力的色彩技术。传统依赖染料或颜料的色彩滤光片虽然在日常应用中广泛使用，但它们往往面临化学稳定性差、环境耐久性低等挑战。这些限制不仅影响了色彩在长期使用中的表现，还限制了其在高分辨率、大范围应用中的潜力。因此，探索一种更加稳定、可扩展且具有高度可控性的色彩生成方式成为研究的重点。

结构色技术，即通过纳米光子学现象（如干涉、衍射和共振）来产生色彩，提供了一种材料独立的解决方案。这种技术能够实现更长的色彩寿命、更高的分辨率以及更丰富的色彩表现。然而，目前的结构色技术在大规模生产中仍然面临显著挑战。例如，许多纳米结构的制造需要复杂的光刻工艺，这些步骤不仅成本高昂，而且在实现大规模生产时存在工艺复杂性、对环境条件高度敏感以及难以保持均匀性等问题。因此，虽然结构色在微米尺度上展现出良好的性能，但在厘米或更大尺度上的应用仍受到限制。

为了克服这些障碍，研究人员提出了一种基于金属-绝缘体-金属（MIM）腔体结构的创新方案，利用空间调控的阳极氧化铝（AAO）作为绝缘层，实现色彩的精确调控。这一方法的关键在于将光学共振与几何结构解耦，转而通过调控AAO的孔隙率来改变其有效折射率，从而在保持腔体厚度一致的前提下，实现多种色彩的生成。这种设计思路不仅简化了制造流程，还为大规模生产提供了可行性，因为阳极氧化工艺在工业上已被广泛应用，甚至在飞机部件等大型结构中也有所应用。

在实验设计中，研究团队首先通过热蒸发工艺在基底上沉积了钨氧化物（WO?）、银（Ag）和铝（Al）的薄层结构。其中，铝层作为形成AAO纳米结构的基础材料，其厚度被精确控制在250纳米，以匹配所需的腔体厚度。随后，通过局部掩模和控制阳极氧化的电压，研究人员能够在铝层上形成不同孔隙率的区域，从而在相同的物理腔体厚度下，实现对共振波长的调控。这种方法的关键在于，通过调控AAO的孔隙结构，可以实现对有效折射率的精确控制，而无需改变腔体的几何形状。

在具体实施过程中，研究团队采用了一种混合电解液（1.0 M柠檬酸和0.15 M草酸）进行阳极氧化处理，并通过调整阳极氧化电压和时间，控制孔隙的形成与扩展。通过局部掩模（如指甲油）对铝层进行选择性保护，研究人员能够在不同的区域形成具有不同孔隙率的AAO结构。这种孔隙率的变化直接影响了AAO层的有效折射率，从而决定了腔体内的共振波长。在完成阳极氧化后，样品被依次清洗，并通过磷oric酸等方法进行孔隙扩展，以进一步调整孔隙尺寸和分布。

为了实现最终的结构色效果，研究团队在AAO层上进行了银和钨氧化物的二次沉积。这一过程使用了阴影掩模技术，使得金属层能够按照设计图案精确沉积，从而形成具有特定光学性能的MIM结构。通过这种方式，研究人员能够在单一基底上实现多种颜色的图案化，同时避免了传统光刻技术的高成本和复杂性。实验结果显示，该方法能够在2厘米×2厘米的基底上实现RGB色彩的再现，并且能够复制艺术品（如亨利·马蒂斯的《Naida aux cheveux lisses》）以及校园标识等复杂图案，证明了其在艺术与功能应用上的双重潜力。

从实验结果来看，该方法虽然在理论上实现了对共振波长的精确调控，但在实际应用中仍存在一定的偏差。这些偏差主要来源于AAO层的表面粗糙度和孔隙结构的不规则性。由于采用的是单步阳极氧化工艺，而非传统的多步处理，导致孔隙排列不够理想，从而影响了光学共振的均匀性。此外，沉积在AAO层上的金属层也因基底表面的不平整而受到干扰，进一步影响了共振条件的实现。然而，尽管存在这些非理想因素，实验数据仍然与模拟结果高度一致，证明了该方法的可行性。

为了进一步提升该技术的性能，研究团队提出了一些改进方向。例如，使用原子层沉积（ALD）等技术在AAO层上引入超薄缓冲层，可以改善表面平整度，同时保持孔隙率的可控性。此外，采用倾斜角金属蒸发或进行轻微的阳极氧化后表面蚀刻，也有助于获得更光滑的顶部界面，从而提高FP共振的精度和色彩纯度。这些优化措施不仅能够改善色彩的均匀性和强度，还能够提升整个系统的稳定性和可重复性，为未来的工业应用奠定基础。

从应用角度来看，这种基于AAO的结构色技术具有广泛的可能性。它不仅可以用于电子设备中的彩色滤光片，还能够应用于柔性显示、可穿戴设备、防伪技术以及太阳能电池等高性能器件。由于该方法无需复杂的光刻工艺，且能够实现大规模、低成本的制造，因此特别适合于需要大面积、高稳定性的场景。此外，该技术还能够在保持颜色精度的同时，实现图案的高分辨率和多样性，为艺术创作和功能器件设计提供了新的可能性。

在艺术与科学的结合方面，该方法展示了结构色技术的另一种维度。通过调控AAO的孔隙率和分布，研究人员不仅能够生成精确的科学色彩，还能够创造出具有审美价值的艺术作品。这种“艺术品级”的色彩再现能力，使得该技术在装饰材料、艺术装置以及个性化产品设计等领域展现出独特的应用前景。例如，研究团队成功复制了马蒂斯的名作，并在单一基底上实现了校园标识的多色呈现，这表明该方法在艺术再现和功能应用之间找到了平衡。

此外，该方法还具备良好的可扩展性。由于阳极氧化工艺已经在工业上被广泛采用，研究人员可以将这一技术无缝地扩展到更大的基底上，例如从厘米级到工业级的尺寸。这种扩展能力不仅降低了制造成本，还提高了生产效率，使得结构色技术能够更广泛地应用于实际产品中。通过结合印刷技术（如纳米压印、喷墨打印和卷对卷工艺），研究人员进一步提升了该方法的实用性，为未来的产业化提供了坚实的技术基础。

从技术层面来看，该方法的核心创新在于将光学共振的调控从几何结构转向了材料的微观特性。传统的结构色技术通常依赖于对腔体厚度的精确控制，而该方法通过调控AAO的孔隙率，实现了对有效折射率的调控，从而在相同的物理腔体厚度下生成多种色彩。这种设计思路不仅简化了制造流程，还提高了系统的稳定性，使得色彩能够长期保持不变。此外，该方法还避免了对复杂光刻设备的依赖，使得制造过程更加环保和经济。

综上所述，这一基于AAO的结构色技术代表了纳米光子学领域的一项重要突破。它不仅解决了传统色彩滤光片在稳定性和可扩展性方面的不足，还为结构色技术在科学与艺术之间的融合提供了新的思路。通过精确控制AAO的孔隙率和分布，研究人员能够在单一基底上实现多色、高分辨率的色彩再现，同时保持制造过程的简单性和成本效益。这一技术的潜在应用范围非常广泛，包括电子显示、防伪标识、柔性电子、光学传感以及艺术创作等多个领域。未来，随着制造工艺的进一步优化，该技术有望在更多实际场景中得到应用，为科技与艺术的结合开辟新的可能性。