纳米光子学领域AFM：颠覆传统认知——金和银的颜色一样吗？

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如果你有一块金属，不经成分测试，该怎样判断这是什么金属呢？

最直接的办法是看颜色。比如，金显金黄色，银呈银白色，铜有橙红色。你看，描述颜色的词语都带着金属元素的名字，似乎金属成分与颜色有对应的关系。

（金属的颜色。从左到右依次为银、铜、金。图源见下方文字。）

然而，如此经验不一定处处可行。因为纳米技术已能让不同金属表现出相同的色彩。

来自英国伯明翰大学、德国慕尼黑大学、中国南京大学等国际研究团队近期在Advanced Materials上发表了颠覆传统认知的科研成果——无论是金、银、铂、钯，统统可以呈现相同的色彩。其秘密在于将这些金属纳米化，并组装成无规结构。

【文章要点】

1. 装置分为三层：最上端沉积着大小与形状各异、无规排列的金属颗粒。中层为LiF介电层。最下方是金属Ag光反射层。

图1. 装置结构示意图、截面结构及上层无规金属颗粒层的扫描透射电子显微镜图像。图源：Adv. Mater.

2. 当介电层厚度一定时，从上方观察到的颜色与金属成分无关。无论是Ag、Au、Pt还是Pd，只要介电层厚度一定，肉眼所见的颜色或仪器测得的反射光光谱就近乎一致。

图2. 四种无规纳米金属薄膜呈现的颜色及其反射光谱。图源：Adv. Mater.

3. 原理：最上层的无规金属层几乎可以吸收所有可见光。而唯一能够幸免被吸收的光波被束缚在由介电层构成的共振腔。该共振腔名为Fabry-Perot共振腔，具有一定的本征共振频率。当入射光的频率与共振腔本征共振频率相等或相近时，该光线可在共振腔内共振，从而不被上层金属所吸收。

4. 由于Fabry-Perot共振腔的本征共振频率与介电层厚度相关，而金属层仅作为光线吸收层，因而看到的颜色与金属成分无关，而与介电层厚度有关。

5. 模拟表明Au、Al、Cr、Cu、Ni、Pd、Pt、Ru，甚至非金属 TiN都可以被制成显同样颜色的器件。本文实验验证了Au、Ag、Pd、Pt。

6. 当颜色不再受制于成分后，实际应用便具有更多选择了。比如同样是生产蓝色部件，选用Au或TiN可保证稳定性；选用Al可降低成本；选用Ru、Cu等可具备光催化性能。不同用途有不同考虑，但对于外观颜色而言就是殊途同归！

更多信息请阅读原文：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202007623

名称：材料科学前沿

ID：MaterialFrontiers

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