一种基于一维硼烯光子晶体的双加密结构色显示器，具备超宽色域和可调亮度特性

《Optics & Laser Technology》：Dual-encryption structural color display with ultrawide gamut and tunable brightness in one-dimensional borophene photonic crystals

一维硼磷光子晶体结构通过动态载流子密度与缺陷层厚度协同调控，实现269.2% sRGB超广色域覆盖，支持从白光到单色光的渐变调控及亮度可调特性，结合像素编码技术达成图像双重加密功能，并经传输矩阵法与有限差分时域法验证。

　　

潘一照|杨文星|陈芳

长江大学物理与光电工程学院，荆州434023，中华人民共和国

摘要

以往在滤光片或显示器中的着色方法较为单一，仅依赖于调节缺陷层或谐振腔的厚度。着色范围仅限于RGB原色或色域的边缘。为了克服这一限制，本文提出了一种基于多层堆叠结构的二维（1D）硼烯光子晶体（BPCs）结构。通过结合硼烯的动态载流子密度和$\mathrm{硼烯}/\mathrm{二氧化硅}{\mathrm{（SiO?）}}_{}$缺陷层的厚度，BPCs实现了高达269.2% sRGB色域的超宽色域。从白光到单色光的色调转换得以实现。此外，通过调整$\mathrm{硼烯}/\mathrm{二氧化硅}{\mathrm{（SiO?）}}_{}$层配置比例，BPCs还具备亮度调节功能。基于这些特性，通过像素编码可以实现图像的双重加密功能。利用传递矩阵方法（TMM）和时域有限差分方法（FDTD）获得的结果一致性，验证了该方案的可靠性。BPCs为彩色显示、色彩过滤和图像防伪领域提供了一种新的方法。

引言

结构色是一种由光与材料微纳结构相互作用产生的物理着色现象[1]、[2]、[3]。其色调源于光的干涉、衍射和散射等物理效应，而非传统染料或颜料的化学吸收特性[4]。这种着色机制赋予结构色许多独特优势：高色彩饱和度[5]、宽色域[6]、不褪色性[7]、环保性[8]以及无需化学染料[9]。近年来，随着纳米制造技术的进步，基于光子晶体（PCs）[10]、等离子体共振[11]、米氏共振[12]和法布里-珀罗腔[13]等机制的结构色研究取得了突破性进展。这些微纳结构能够精确控制光的传播路径和相位[14]、[15]、[16]、[17]、[18]，从而实现从深蓝到近红外的全光谱覆盖[19]。与基于等离子体共振和米氏共振的高度集成像素器件相比，堆叠的薄膜或1D PC结构因其制造简单[20]、成本低[22]、[23]以及易于大规模集成[24]、[25]、[26]、[27]等优点，成为光控器件的首选架构。

多层介电-金属薄膜结构仅通过调节层厚度和材料折射率[28]、[29]即可实现精确的颜色控制。Lee等人[30]提出了一种基于复合介电层的双腔方案。由于其较长的腔长，该结构能够支持多个高阶共振模式，从而产生RGB三种原色。Zhu等人[31]设计了一种基于ZnS/Ag/SiO?的彩色滤光片，其红色、绿色和蓝色通道可覆盖99.946%的Adobe RGB色域。然而，目前大多数1D PC或薄膜结构仅通过改变缺陷层（谐振腔）的长度[32]、[33]、[34]、[35]来改变颜色，色域受到严重限制，产生的颜色主要集中在RGB或CMY通道附近。此外，高色域是通过几种高纯度颜色实现的，而忽略了低纯度颜色。

为了满足当前动态和多功能彩色显示技术的需求，我们提出了一种包含硼烯多层薄膜的1D BPCs。通过调节缺陷层厚度和硼烯载流子密度，实现了超宽色域的结构色显示（高达269.2%的sRGB色域）。生成的颜色完全覆盖了色域，并形成了色调塔。此外，通过优化$\mathrm{硼烯}/\mathrm{二氧化硅}{\mathrm{（SiO?）}}_{}$层的配置比例，实现了亮度调节功能，从而开发出了独特的双重加密能力，为图像信息安全提供了创新解决方案。该设计通过TMM和FDTD仿真进行了验证，计算结果与仿真结果高度一致，证明了方案的正确性。BPCs为设计多功能彩色显示、色彩过滤和图像防伪提供了新的思路。

设计与材料

所设计的结构色显示器采用了1D BPCs配置，如图1(a)所示。混合后的白光通过具有不同腔长的BPCs时，被折射为三种原色（红、绿、蓝）。一个BPC可以被视为一个彩色显示像素。BPCs的详细几何参数和结构配置在横截面图中展示（图1(b)）。单层硼烯...

结果与讨论

\- 和 \- 层的硼烯层和\s薄膜交替堆叠。因此，折射率呈现出周期性变化，类似于布拉格反射器。入射光在每个界面经过多次反射和折射后，会产生具有特定波长的光子带隙（PBG）。在BPCs的\- 和 \- 周期内，引入了一个缺陷层。该缺陷层可作为谐振腔，...

结论

总之，所设计的BPCs通过调节缺陷层厚度，可以提供定制的传输光谱以生成特定颜色。计算（TMM）和仿真（FDTD）结果的一致性证明了该设计方法的准确性。BPCs实现了宽色域，覆盖了高达269.2%的sRGB色域、200.2%的Adobe RGB色域和142.6%的Rec. 2020色域。RGB的最大颜色纯度分别达到了98.6%、98.2%和97.4%。

CRediT作者贡献声明

潘一照：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，研究工作。杨文星：资金获取。陈芳：撰写 – 审稿与编辑，研究工作，资金获取。

资助

本项目得到中国国家自然科学基金（项目编号：12075036,12375008）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。