[論文レビュー] Controlling the Colour of Metals: Intaglio and Bas-Relief Metamaterials

Jianfa Zhang, Jun‐Yu Ou+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2010

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 15被引用数 50

ひとこと要約

本論文は、化学的被膜や薄膜を用いずに、マイクロメートル未満のインレイ（埋め込み）およびバレイエ（盛り上げ）メタマテリアルパターンを用いて純金属の構造的色彩を制御する新規な手法を提案する。金属ナノ構造の幾何学的形状と深さを設計することで、強い可変性を持つプラズモン共鳴吸収が実現され、可視光スペクトル全域にわたり鮮やかで偏光および入射角に依存しない色が得られる。金およびアルミニウム表面に焦点を当てたイオンビームリーマーと電子線リソグラフィーを用いたプロトタイプ作製により、広範な色のパレットが実証された。

ABSTRACT

The fabrication of indented ('intaglio') or raised ('bas-relief') sub-wavelength metamaterial patterns on a metal surface provides a mechanism for changing and controlling the colour of the metal without employing any form of chemical surface modification, thin-film coating or diffraction effects. We show that a broad range of colours can be achieved by varying the structural parameters of metamaterial designs to tune absorption resonances. This novel approach to the 'structural colouring' of pure metals offers great versatility and scalability for both aesthetic (e.g. jewellery design) and functional (e.g. sensors, optical modulators) applications. We focus here on visible colour but the concept can equally be applied to the engineering of metallic spectral response in other electromagnetic domains.

研究の動機と目的

• 化学的改質や誘電体被膜を用いずに、純金属における構造的色彩を実現する手法の開発。
• マイクロメートル未満の金属ナノ構造が強力で可変性のある吸収共鳴を発現させ、視認色を変化させることの実証。
• リングサイズ、深さ、周期性といった幾何学的パラメータを用いたスケーラブルでプロセスに優れた方法による色の制御。
• 機能的および美術的応用を目的とした金属メタマテリアルにおける偏光依存および独立な色応答の調査。
• 標準的な金属成形技術を用いてバルクおよび非平面金属表面へのこの概念の拡張。

提案手法

• ガラス基板上に蒸着した250 nmの金膜を用い、焦点を当てたイオンビームリーマーを用いてインレイおよびバレイエメタマテリアルをプロセス。
• 融けた石英上に電子線リソグラフィーと反応性イオンエッチングを用いてバレイエ構造を形成し、その後アルミニウム蒸着により金属-誘電体-金属構造を形成。
• 電磁界を解く数値シミュレーションを用いて、メタマテリアル内の吸収共鳴および電場分布を分析。
• マイクロスペクトルフォトメーターを用いた垂直入射反射スペクトルの測定により、構造的パラメータと光学的応答の相関を特定。
• CIE1931色度図およびJudd-Vos変更済みCIE 2度色度マッチング関数を用いて、シミュレートおよび測定されたスペクトルから視認色をマッピング。
• 構造的パラメータ（例：リング半径、深さ、周期）を体系的に変化させ、到達可能な色空間をマップ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 化学的被膜や誘電体層を用いずに、純金属の色を制御可能か？
• RQ2 マイクロメートル未満の金属ナノ構造の幾何学的パラメータが、その光学的吸収および視認色に与える影響は？
• RQ3 構造的色彩は偏光依存的または独立的になり得るか？また、視認色に与える影響は？
• RQ4 このメタマテリアル的手法により、金属の到達可能な色空間はどの程度拡張可能か？
• RQ5 標準的な製造技術を用いて、バルクまたは非平面金属表面へこの手法を適用可能か？

主な発見

• インレイおよびバレイエ金属メタマテリアルは、強力で可変性のある吸収共鳴を実現し、金およびアルミニウムの反射スペクトルおよび視認色を顕著に変化させる。
• 金に205 nmの深さまで170 nmの直径のリングをリーマー加工すると、赤方シフトした吸収ピークが発生し、銀灰色から深紅色への視認色変化が観察された。
• 非対称なスプリットリングを有するアルミニウムバレイエ構造は、入射偏光の方向に応じて反射色が変化し、平行および垂直偏光で異なる色を示した。
• 数値的シミュレーションにより、アルミニウムに100 nmの深さまで210 nmの単一リングをリーマー加工すると、510 nm（緑色）に強い吸収ピークが発生し、緑色の反射が抑制されることで鮮やかなマゼンタ色が得られることを確認した。
• 吸収メカニズムは、azimuthalモード数 m = 1 の循環的スロットモードに起因し、z面およびx面における電磁界分布マップで裏付けられた。
• この手法により、CIE1931色度図の広範な領域に到達可能であり、アルミニウムおよび金の異なる構造的パラメータに対して明確に分離された色点が得られた。