为了满足人类视觉体验和传递再现真实的色彩信息,追求高性能和多功能的色彩显示成为了显示领域的目标之一。受到自然界中一些动植物体表微纳结构与光相互作用所呈现鲜艳颜色的启发,科学家们开启了对微纳结构显示器件的研究。依靠近年来微纳加工技术突飞猛进的发展,利用微纳结构组成的二维超构表面（Metasurfaces）对光振幅和相位的调控,结构色和全息显示器件成为了纳米光子学一个重要研究领域。借助于硅,二氧化钛等介质材料制备成本低,高折射率以及与现有CMOS技术兼容的独特优势,超构表面的显示器件取得了快速的发展。但性能还不能满足新一代显示技术对宽色域、高亮度和分辨率以及多功能可调的需求,微纳结构的性能和应用潜力未能得到充分发挥。其中多参数的结构色设计、高性能的结构色显示技术以及利用结构色拓展的动态全息显示技术还未得到突破。针对上述超构表面结构色面临的挑战,本文结合信息领域显示技术对高性能和多功能结构色的迫切需求,从三个方面进行了单晶硅超构表面的研究和应用:一是设计了可多参数优化的圆环和C形开口圆环结构,实现了广色域全彩显示和异常折射的应用。二是设计折射率匹配层使结构色实现了5项关键性能参数的同时突破,提高了结构色的应用价值。三是通过超构表面双功能的设计,集成了彩色图案显示和动态可调全息功能,扩展和丰富了结构色的动态显示应用功能。具体研究内容如下:本文设计制备了内部带有孔洞的单晶硅圆环结构,对外半径和内半径的多参数调控实现了对入射光振幅在可见光波段的广范围调控。经过优化参数,实现了150%的s RGB色域显示,并开发优化了HSQ负性光刻胶的制备工艺,制备出了高质量的圆环结构,实现了覆盖可见光波段高亮度的色彩显示,蓝光区域的反射率高达70%。进一步设计了开口圆环的C形结构,可以对外半径、内半径、周期以及开口角度进行4个维度的设计优化,得到了覆盖0-2π相位的8种单元结构,实现了异常折射应用。通过在单晶硅超构表面加入折射率匹配层,显著压制了基底的反射和宽谐振峰,使得色彩的显示色域大幅提升。首次实现了优异结构色的所有关键性能包括:色域、亮度、半高宽、分辨率、制备难度的一体化突破,实现了色域的最高记录值,171%的s RGB色域（97.2%Rec.2020）,最高显示亮度达到了76%,反射峰的最窄半高宽可以达到34 nm,最高分辨率超过了100000 dpi。这一进展有望为结构色在广色域高分辨显示器,彩色纳米打印,生物分子探测传感等领域的商业化应用带来新途径。为了拓展结构色的功能性应用,通过将全息显示集成于结构色的设计,实现了动态双功能的可调超构表面。其中利用单晶硅纳米椭圆柱的设计,同时控制了圆偏光的振幅和Pancharatnam-Berry相位。在白光照射模式下结构色的工作色域可以覆盖121%的s RGB,呈现出五彩的卡通图案。而在激光照射下可以实现远场全息图案的投影。此外,利用外部环境折射率对振幅的控制,全息显示的设计还集成了动态调控功能,在加入溶液后,也可以实现特定波长全息图案“开”、“关”或“保持不变”的选择性调控功能,全息图案的切换时间可以达到16 ms甚至更短。这一研究拓展了基于超构表面结构色的动态功能性应用,进一步提升了超构表面结构色在微流体动态显示、光学安全和信息存储、功能性动态色彩调控等领域的应用价值。