结构色，又称物理色，是由光与物体表面微纳结构相互作用产生的颜色效果。相比于化学染料，结构色依赖物体在微纳尺度下的构型，而非材料本身的特性实现色彩的操控，在色彩鲜艳度、寿命以及分辨率方面具有显著的优势，可以应用在下一代高分辨显示设备及密码学器件中。
光学超表面作为一种亚波长人工结构，能够在有限的空间中实现光场特性的灵活调控，成为了获得高质量结构色的重要途径，同时结构色超表面也有望在新型可集成显示器件中得到广泛应用。然而，传统的纳米制造技术往往只能加工平面构型的等高纳米结构，难以实现单元结构高度的独立调控，限制了结构色超表面的色彩调控能力。
因此，发展创新纳米加工方法，突破单元结构的高度梯度调控技术，从而扩展纳米结构可控自由度，是实现结构色多维操控的重要手段。
为了解决上述问题，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心微加工实验室李俊杰团队发展了原子层纳米组装(ALA)加工方法，实现了任意图形纳米介质结构的高深宽比、高精度、大面积的构筑，为多路复用、高效率光学超表面的设计与加工提供了一条全新的途径。最近，该团队进一步将电子束灰度曝光技术引入到ALA加工方法中，提出了一种灰度纳米组装加工（GANF）方法，实现了高深宽比纳米结构的高度梯度调控加工。
GANF方法在提高结构色超表面的色域调控能力方面展示了极大优势。理想的结构色是兼具色相（H）、饱和度（S）与亮度（B）的多维调控能力与更广的色域范围，满足现代数字彩色显示与高分辨率图像的发展需求，这对结构色超表面的多维设计和加工能力提出挑战。
采用GANF方法可以突破原有结构色超表面平面构型调控的局限性，除了具备沿x与y方向的空间结构可控性外，新增了结构在Z方向高度的调控维度，丰富了单元结构的空间自由度，从而实现了多维全空间的结构调控，为光谱的完整调控提出了新的可能性，可极大提高结构色的色彩丰富度。
基于GANF方法的纳米灰度三维加工优势，该团队进一步设计了边长、周期与高度多维可调的灰度结构色超表面，并获得了色彩HSB独立调控的能力，突破了传统结构色器件无法实现色彩多维调制的瓶颈。设计的像素仅具有1.5μm的尺寸，而实现的色彩则可以占据HSB色彩空间中的大部分区域，验证了高度梯度在结构色调控中的广阔前景。
该成果以“Height Gradiently Tunable Nanostructure Arrays by Grayscale Assembly Nanofabrication for Ultra-realistic Imaging”为题作为“Inside Front Cover”发表在“Laser & Photonics Reviews” 2023年第17卷第9期上。
微加工实验室的耿广州博士作为论文的第一作者，李俊杰研究员与潘如豪副研究员为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委、北京市科技计划委员会、中国科学院基础研究领域青年团队计划的支持。