一個(gè)研究小組開發(fā)了一種能夠通過3D氣溶膠納米打印檢測(cè)光的偏振和方向的超材料。他們的研究成果發(fā)表在ACSNano上。
該項(xiàng)研究由機(jī)械工程系、化學(xué)工程系和電氣工程系的JunsukRho教授以及浦項(xiàng)科技大學(xué)(POSTECH)機(jī)械工程系的博士生YounghwanYang和HongyoonKim等人領(lǐng)導(dǎo)，標(biāo)志著利用廣泛用于透鏡和全息圖等應(yīng)用的超材料在光操控方面取得了突破。
具體而言，三維超材料利用三維金屬結(jié)構(gòu)以類似天線的方式收集和發(fā)射光線，最大限度地發(fā)揮光與物質(zhì)的相互作用，有望突破傳統(tǒng)光學(xué)器件的局限性。
目前的研究多集中于二維金屬結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)和制作相對(duì)簡(jiǎn)單，但這些結(jié)構(gòu)局限于固定的平面，限制了其實(shí)現(xiàn)超表面光學(xué)特性的多樣化和優(yōu)化。
通過創(chuàng)建三維而非二維的金屬納米結(jié)構(gòu)，可以在單個(gè)納米結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)不同的光學(xué)響應(yīng)機(jī)制。這些三維金屬納米結(jié)構(gòu)可以將各種光學(xué)特性集成到單個(gè)超材料中，從而促進(jìn)多功能光學(xué)傳感器的開發(fā)。
在他們的研究中，該團(tuán)隊(duì)利用“3D氣溶膠納米打印技術(shù)”，通過控制電場(chǎng)，以并行方式從空氣中的金屬納米氣溶膠中批量生產(chǎn)任意形狀的三維納米結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)技術(shù)使他們能夠在典型的溫度和壓力條件下精確定位、組裝和創(chuàng)建類似于“π”形狀的3D金屬納米結(jié)構(gòu)。
實(shí)驗(yàn)表明，該團(tuán)隊(duì)的三維金屬納米結(jié)構(gòu)同時(shí)表現(xiàn)出兩種不同的光學(xué)現(xiàn)象：“局部表面等離子體共振(LSPR)”和“連續(xù)體中的準(zhǔn)束縛態(tài)(q-BIC)”。
LSPR是指金屬結(jié)構(gòu)表面的自由電子與光發(fā)生相互作用，使這些電子與特定的電磁波產(chǎn)生共振。而q-BIC則是光被金屬納米結(jié)構(gòu)捕獲的現(xiàn)象。
在明確定義的狀態(tài)下，例如當(dāng)光垂直入射時(shí)，與結(jié)構(gòu)的相互作用最小。然而，在特定條件下，例如當(dāng)光以一定角度入射時(shí)，會(huì)形成獨(dú)特形狀的能量模式，導(dǎo)致光看起來與結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合。
這些雙重光學(xué)特性通過提高傳感器靈敏度同時(shí)保持共振來實(shí)現(xiàn)高性能光學(xué)傳感。雖然每種現(xiàn)象都已單獨(dú)研究過，但之前從未有人證明過在單一結(jié)構(gòu)中同時(shí)存在這兩種現(xiàn)象。
研究團(tuán)隊(duì)還通過采用一種名為“數(shù)值孔徑檢測(cè)偏振測(cè)量法”的技術(shù)取得了突破。這種方法將π形金屬納米結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的傅里葉變換紅外光譜儀相結(jié)合，同時(shí)檢測(cè)光的偏振和入射角。
該功能可通過高效收集光線來精確分析光的分布，與以前的方法相比，可以更詳細(xì)地了解其偏振和方向。
浦項(xiàng)科技大學(xué)的JunsukRho教授表示：“這一進(jìn)步將使光學(xué)濾波、超靈敏生物傳感和環(huán)境監(jiān)測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域受益。”
YounghwanYang表示：“我們正在進(jìn)行的研究旨在進(jìn)一步開發(fā)和商業(yè)化這項(xiàng)技術(shù)，促進(jìn)更精確、更快速的光學(xué)分析系統(tǒng)。”
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