该综述概述了结构色领域近十年的发展历程，从科学原理到技术应用，无不体现出这一领域的蓬勃发展态势。该文详细阐述了静态结构色显示技术在色彩稳定性和色彩效益方面的优势，同时总结了结构色在各个应用领域的最新前沿进展，最后对其未来发展方向进行了深入的思考和展望。
浦项科技大学Junsuk Rho教授点评道：“这篇综述将促进多学科研究，并与先进的制造方法相结合，为结构色的商业化铺平道路，从而推动下一代新型器件的开发（点评原文）。”这些技术的不断进步，不仅为我们的生活带来了丰富多彩的视觉体验，更为未来的显示技术和光学应用领域打开了新的大门。
“结构色”又称为“物理色”，是一种依靠纳米结构与光波相互作用，从而表现出颜色的光学现象。早在人类理解结构色这一概念之前，自然界早已进化出许多的结构色彩，如孔雀羽毛、蝴蝶翅膀等等。近年来，随着光学研究向亚波长尺度方向的发展，这一古老的概念不断孕育出新的内涵，由此带来了新的光场调控理论、平面光学器件及其应用。结构色凭借其独特的性质，而被视为未来显示技术的发展方向。
随着先进制造技术的发展，例如激光直写、电子束光刻和聚焦离子束，结构色的单元结构向百纳米尺度深入，基于微纳米结构的超构表面彩色打印技术以其特有的优势得到了各领域关注。基于金属等离激元共振以及基于介质材料的纳米结构阵列的结构色被广泛研究（图1）。由于结构色相较于传统显示方案颠覆性的性能优势，如极高的分辨率和极低的能耗，同时可以利用超构表面丰富的设计自由度从而实现多功能集成的微显示系统，因此结构色领域在过去十年中获得了快速的发展，形成了一系列静态结构色显示、动态结构色显示以及加密、传感等应用器件。
图1 金属/介质纳米结构产生结构色的物理模型
然而，现有的结构色研究还面临一些挑战，主要体现在以下三个方面：（1）如何实现快速的最优纳米结构设计，现有优化算法与机器学习过分依赖程序设置，往往被局域在局部最优解；（2）基于超构表面的结构色设计需要更具成本效益的加工工艺，需要在保证纳米级结构的分辨率的基础上满足更快、更方便的大面积制备工艺；（3）结构色超构表面与传统CMOS的集成至关重要，结构色超构表面直接集成在CMOS芯片上，可以获得紧凑且高度集成的器件，不仅优于当前的显示方法，而且显示出光学器件在从光学信息到医学传感等广泛领域的应用潜力。
哈尔滨工业大学（深圳）肖淑敏教授领衔的团队总结了结构色领域在近年来的最新研究并就上述挑战对未来发展方向进行展望。
结构色是纳米尺度上结构在折射、衍射、干涉和反射的共同作用下的视觉结果。由于金属内自由电子与相应波长电磁波共振而表现出强烈的光场调制效应，因此基于金属纳米颗粒的结构色最早被广泛研究，基于金属结构的设计可以实现远超分辨极限的超高分辨率，但由于金属材料不可避免的光学损耗导致颜色的亮度较低。随后研究者们将材料转向在可见光范围内低消光系数的介质材料，通过巧妙设计介质纳米阵列的Mie共振实现高纯度，高亮度的结构色显示，如图2(a)(b)所示。
图2 静态结构色显示设计 (a) 基于金属纳米沟槽的结构色设计； (b) 基于硅纳米柱阵列的结构色设计
目前，静态超构表面结构色已经被广泛研究，并通过与超构表面丰富的设计自由度相结合，实现除对电磁波振幅外的多维度调控，包括相位、偏振态、入射角度等。静态超构表面结构色被视为未来防伪、加密的有效手段。
随着众多研究人员深入研究超表面微/纳米结构的几何形状、材料特性和空间排列，越来越多的高性能结构颜色正在被设计出来。然而，传统的超表面一旦制造出来，就缺乏可调节性，使其不适合大多数器件的动态调谐需求。因此，动态可调结构彩色显示器已成为当务之急。动态可调结构颜色具有集成到下一代显示器中的潜力，可降低功耗、增强可读性和提高分辨率，尤其是在可穿戴显示器中。
反射式显示器与发光/背光显示器（LCD、LED 和 OLED）在利用环境光方面不同，因此功耗显著降低。发光/背光显示器通常是便携式设备中最耗电的组件。反射式显示器的一个优点是它们能够使用明亮的外部光源来照亮显示器组件。实现高亮度对微型显示器来说是一个挑战，而基于可调结构色的高分辨率反射显示器可以在便携式设备中发挥至关重要的作用。近年来，人们采用了各种材料和光学机制来实现动态可调谐的超表面，其中基于电压、化学过程、微流体系统、相变材料、液晶、机械形变等动态调节方案不断被提出，如图3所示。
图3 可调结构色设计 (a) 电压变色的结构色设计； (b)可逆化学过程变色的结构色设计； (c)基于微流体系统的可调结构色设计； (d)偏振态各异相应的结构色设计
除此之外，该综述还介绍了超构表面结构色在除常规显示领域外的广泛应用：即通过对超构表面的独特设计结合结构色的高性能彩色显示、稳定性和分辨率等优势，使超构表面结构色在显示器、光学加密、结构彩色油墨、比色、传感等各个领域得到了广泛的应用。
由于纳米结构共振模式往往对外界变化敏感，超构表面结构色共振波长的变化伴随着明显的颜色变化，非常适合在传感领域的应用。其中生物传感通常涉及复杂的过程、漫长的检测时间以及实现实时监测的挑战。结构颜色对生物样品的响应所表现出的实时颜色变化，大大降低了生物检测的复杂性和时间，使实时监测的实现变得容易。由于这些优点，基于结构颜色的生物传感器已被广泛研究和商业化，如图4所示。
肖淑敏教授、宋清海教授团队简要回顾了近十年间结构色领域的最新进展——从最基本的光学模式到基于机器学习的结构色超构表面设计方案，结构色领域在过去几年内取得了巨大的进步。与传统的色彩显示技术相比，超构表面结构色表现出高色域、高分辨、高亮度等优点，在未来高分辨微型显示、高级光学防伪等方面具有显著优势，同时融合超构表面丰富的设计自由度可以实现高度集成的高功能显示器件。我们相信，随着后续低成本大面积微纳制备工艺的应用，超构表面结构色将有望实现广泛的商业应用。
https://www.researching.cn/articles/OJbaf6f741213e031e
