Adv Sci | 西湖大学仇旻: 超快激光直写高亮度、宽色域、高分辨率结构色

自然界呈现出一个由微纳结构精确调控光与物质相互作用所构建的绚丽色彩世界。根据其产生机制，颜色主要可分为两类：色素色（化学颜色）与结构色（物理颜色）。色素色依赖于特定分子对光的选择性吸收，但其在高温、强紫外光环境下易发生褪色或分解，且生产过程常伴随高成本与环境负担。结构色是一种由微纳结构与光相互作用产生的“物理色”，相较传统油墨或染料着色，具有高饱和度、耐褪色、环保稳定等优势，在信息安全、防伪标识、高端显示、艺术创作、装饰设计等领域具有广阔应用前景。然而，传统结构色制备通常依赖复杂昂贵的纳米加工工艺，难以兼顾亮度、色域与分辨率，在加工效率和规模化方面也存在明显瓶颈。

西湖大学工学院仇旻教授团队提出了一种基于超快激光诱导氧化的高亮度、宽色域、高分辨率结构色制备新方法。该工作通过构建Ti–TiO₂–Ti三明治薄膜结构 并结合皮秒激光精密调控氧化过程，实现了对纳米尺度氧化层厚度的高精度控制，从而获得了色彩鲜艳、饱和度高、可精细调谐的结构色显示效果。与传统颜料着色方式相比，该方法基于光学干涉原理产生颜色，无需任何染料或油墨，具有更高的环境友好性和长期稳定性；与已有激光结构色技术相比，该工作在亮度、色域和空间分辨率等关键性能指标上实现了显著突破。实验结果表明，该结构色体系可覆盖超过80%的sRGB色域，最大反射率超过60%，空间分辨率高达 30,000 DPI，并表现出优异的耐腐蚀、耐湿热和耐光照性能，满足严苛环境下长期使用的需求。此外，该方法对基底材料和表面粗糙度具有良好的适应性，可在金属、粗糙不锈钢等多种基底表面实现高质量无墨打印，显示出极强的工艺通用性与工程应用潜力。该制备策略兼具高加工效率、低成本和良好可扩展性，为结构色在信息安全与防伪、艺术设计、广告展示、环境标识等领域的规模化应用提供了一种全新的技术路径。

研究团队创新性地提出了一种Ti–TiO₂–Ti三明治多层薄膜结构（如图1），并结合皮秒激光诱导可控氧化技术，实现对TiO₂薄膜厚度的纳米级精准调控，构建高性能类Fabry–Pérot光学谐振腔，从而在可见光波段实现高亮度、宽色域和超高分辨率的结构色激光直写。

研究团队通过系统调控薄膜结构参数与激光能量沉积，实现了结构色性能的多维度协同提升。如图2所示，通过同时调节激光单脉冲能量、扫描速度以及初始薄膜结构参数，研究人员在单一薄膜体系上实现了从黄色、橙色、紫色、红色、蓝色到青色和绿色的连续颜色调控。其在CIE 1931色度空间中覆盖约80% sRGB色域，远超基于钛块体材料的传统激光氧化方法约15%的色域限制。同时，反射光谱表现出连续、精细的漂移特性，单步调控精度可达约10 nm，峰值反射率普遍超过60%，显著提升了色彩亮度和视觉表现力。

在高数值孔径物镜辅助下，团队进一步实现了亚微米尺度的结构色打印。如图4所示，研究人员制备出了直径小于 800 nm 的结构色点阵，以及线宽约 1 μm 的高精度结构色线条，最高打印分辨率达到 30,000 DPI。基于该高分辨率打印能力，团队成功在2英寸抛光硅片和粗糙硅片基底上，直接激光打印出西湖大学云谷校区鸟瞰图和光电研究院标志性图案，充分展示了该技术在复杂图案、高精度彩色打印及大面积加工方面的综合能力。