20，comsol仿真银纳米孔超表面构造结构色
在我之前合成金纳米颗粒胶体溶液时，我注意到吸收峰不同，溶液的颜色也不同，有时紫色，有时木棕色，有时血红色，有时又是淡淡的粉色。合成出经验之后，有时不需要去测峰位，看一眼颜色就大概能估计成功没（虽然大多数时候是失败的）。那时我就在想，颜色与LSPR峰位是存在着某种联系的，从定性的角度来理解就是不同峰位的LSPR对应着不同尺寸的金纳米颗粒，金纳米颗粒对该峰位附近的光强烈吸收掉，因此阳光穿过溶液后丢失LSPR峰位附近的光，导致剩余的光混合产生颜色。
那么问题就来了，颜色与光谱之间的联系能不能在计算机模拟上建立起来，而不是每次都让现实告诉我什么样的谱对应什么样的颜色。这个问题一直悬而未决。直到我前不久看到了一篇文章，就是今天下面要介绍的这篇
文献来源
《Versatile full-colour nanopainting enabled by a pixelated plasmonic metasurface 》
2022年10月发表在nature nanotechnology (一区，IF40.523)
论文重点
作者在Ag膜上挖出不同尺寸和朝向的矩形纳米凹槽，获取其正交偏振反射光谱，通过调控尺寸及凹槽朝向来调整光谱的峰位和峰强。不同峰位对应不同颜色（色调），不同峰高度对应不同明暗程度（明度），不同峰宽对应不同的颜色纯度（饱和度）。这就是利用等离激元超表面产生结构色，作者工作亮点在于：1，色域广，饱和度高，在不变色调的情况下，可调控明度。所以用超表面复刻的油画明暗细节丰富。2，调控入射光偏振可呈现不同画面，有潜在防伪价值。3，超表面制造采用可重复利用的模板剥离法，可降低生产成本。同时采用凹槽而非纳米柱降低了制造难度。
背景介绍
染料和颜料是我们日常生活中最常用的用来产生颜色的材料，它们可以在可见光阶段吸收一定波段的光并反射剩余部分。但是它们都不具有很好的化学稳定性，在高温或者强紫外线环境中，它们所呈现的色域都会被限制。由于一些结构能做到足够细小以至于与光发生干扰，来吸收特定波段的光呈现颜色。结构色开始成为一种替代染料和颜色的潜在方案。随着纳米印刷技术的发展，现在人们能调控等离子体纳米材料的结构来精细调控光谱，比如高密度排列的纳米盘，金属-介质-金属纳米盘阵列，周期性阵列纳米天线，这些结构都能用来产生颜色。但是色域依然会被限制，主要原因是可见光区域内的谱线线宽很宽，谱线线宽很宽源于金属对光产生的损耗和金属表面的粗糙度。
使用高折射率介电纳米材料似乎是一种克服色域小的解决方案，通过设计电磁米氏散射，介电材料的光谱线宽和颜色纯度都要优于等离子体材料滤波器。当它们与低指数阻抗匹配层结合使用时能更进一步减小线宽，但是这种方法不能控制颜色的亮度，导致在用纳米材料对油画进行复刻成像时缺少明暗对比。最近一种在sio2基底上覆盖si矩形纳米鳍的超表面结构被证实能有效的调节色调，饱和度，明度。但是这种si矩形纳米鳞的光谱谱线宽且几何结构高宽比高达15：1，难以大规模制造。
在本文中，作者的工作是：设计了一种表面带有凹槽的金属Ag等离子体超表面，该超表面结合了多种特征（高色彩饱和度，宽大的色域，明暗可控，偏振可调），同时该超表面可以用可重复利用的模板分离技术来制造，减少了制造成本。作者制造了几种超表面来复刻经典油画，复刻结果超级写实并且还保留了一些纹理和细节。除了复刻油画，也可以通过调控光的偏振来呈现不同的画面。
实验展开
第一张图
图1ab是超表面的几何形貌，图1c是说明不同尺寸的纳凹槽对应的反射光是不同颜色的。
第二张图
图2a是改变凹槽的周期和尺寸，一束偏振与X轴正方向夹角45°的平面光垂直入射，与入射光正交偏振的反射光的光谱。2a左边是模拟仿真，右边是实验。对于此图我的复现结果如下
这张图的复现还是有点难度的，首先在comsol中如何从反射光中提取与入射光偏振正交的分量？其次怎样把这14条谱线从上往下垒在一起？答案是我是用origin作图的。最后旁边的色块如何得到？这个问题得看图2b。
图2b上面是把仿真的谱线标注在CIE1931色度图中，下面是实验谱线的标注。每一条谱线经过一系列计算（怎么计算？自己以关键词 “CIE1931色度图”，“结构色”上网搜资料，我也是自己搜的）后会得到一个x，y坐标值，把这个坐标值标注在CIE色度图上就能得到图2b，标注位置处的点对应的颜色就是图2a旁边的色块。
这里将光谱转换为xy坐标并标注有两种方法，第一种是借助现成的软件，直接输入光谱数据让软件计算xy值，如下是我用别人写好的软件画的图
第二种是自己在matlab中编写计算过程（光谱数据---->xy坐标值），这个过程比较麻烦，但用matlab的好处在于：自己对整个计算过程是了然于心的，而且在计算过程中需要用到光源，默认是与日光近似的D65光源，一般情况下常用D65。但如果自己做实验时要用到与日光差异较大的光源照射超表面时该怎么办呢？这时候用别人写好的软件可能不太行，但是用matlab的话只需改下计算过程中的数据。下面是我自己编写的matlab做的图2b
至于图2c的仿真就没啥好说的了，仿真了s=1时的反射光的x分量与y分量的振幅与相位差。
图2d仿真了s=1与s=2时在峰值波长处的场增强
最后关于图2要说明的一点是，我复现的结果与论文有一点差别，比如图2a最后一张谱线图s=2.65，作者峰位在700多点，而我在650-700之间，而且图2d的增强图也有部分不同。起初我怀疑是有较多的衍射光而我偷懒用pml，没有用另一种难一点的仿真方法（即不用pml，只用端口+衍射级来吸收反射光）。为此还特地去琢磨了下如何设置衍射级，终于琢磨清楚了，但仿真结果还是与用pml差不多。
关于在两个方向上有周期性，该如何设置衍射级这个难题其实也困绕了我很久，因为本科书本上都是一个方向有周期性时的衍射问题。这次回来琢磨琢磨突然顿悟了。一般来说，周期越大，波长越短，衍射级越多，下面是s=2.65，波长为380nm的衍射级设置，圆圈内都是它的衍射级
如果增大波长，保持尺寸不变，则一些衍射级会无了.如下是s=2.65，波长800nm时的衍射级
第三张图
本文的一大亮点就在图3，作者保持入射光偏振方向不变，旋凹槽朝向，发现反射谱峰位几乎不变，而峰高会下降。这说明可以做到颜色不变仅仅降低其明度，达到明暗组合的效果。作者借此制造两个超表面，预先设计凹槽朝向，实现一幅图画中颜色统一但有明有暗，如图cd所示（cd并非油画而是反射光组成的画面）
对于图3a我的复现如下
同时作者指出峰位不改变的原因是单元为六边形具有很好的对称性（即每个单元都旋转一个角度==把整体超表面拿着旋转相同角度）。换做是单元为矩形的超表面就没有这种性质了，峰位会变化。
我仿真了一下上面的矩形周期单元的情况，发现确实如此。
第四张图
最后既然改变周期大小能改变峰位（颜色），改变凹槽朝向能改变峰高（明暗）。那么就可以用来复刻油画了。
看上面这三幅油画的复刻结果，作者这工作量是真的恐怖如斯，也难怪能发40多点
第五张图
之前的工作中没有改变入射光偏振，改变的是凹槽的朝向，那现在在改变入射光偏振，就可以实现一个 超表面，入射光偏振不同，能看到的画面也不同。可以用来做防伪
最后，付费内容如下
