超材料納米新組裝 尺度可操縱可見光

　研究設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新的納米粒子組裝方法，首次實(shí)現(xiàn)了將高折射率的二氧化鈦納米粒子組裝成可工作于可見光波段的超材料光學(xué)器件。該研究提供了一種在納米尺度操縱可見光的途徑，有望應(yīng)用于隱身、光子計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。
　　
　8月12日，《科學(xué)》子刊《科學(xué)進(jìn)展》在線刊登了復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系武利民教授課題組關(guān)于可見光超材料的最新研究成果。該研究設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新的納米粒子組裝方法——納米固流體法，首次實(shí)現(xiàn)了將高折射率的二氧化鈦納米粒子組裝成可工作于可見光波段的超材料光學(xué)器件。通過將15納米的銳鈦礦二氧化鈦納米粒子組裝成半球形和超半球形固體浸沒超透鏡，在常規(guī)的光學(xué)顯微鏡下實(shí)現(xiàn)了45納米的超分辨率顯微成像，大大地突破了光學(xué)顯微鏡的極限分辨率200納米，并揭示了二氧化鈦納米粒子間的近場耦合效應(yīng)在該可見光超材料中的重要作用。
　　
　探索低損耗的非金屬超材料的制備與應(yīng)用是近年來國際上超材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，具有重要的意義。制備非金屬超材料的難點(diǎn)在于，如何將具有高折射率、低吸收損耗的電介質(zhì)材料加工成特定的亞波長結(jié)構(gòu)。武利民團(tuán)隊(duì)使用在可見光下具有高折射率且低吸收損耗的銳鈦礦二氧化鈦材料，提出了一種由下而上的自組裝方法來制備可見光超材料。該方法巧妙地利用了油水界面的特性，實(shí)現(xiàn)了將15納米的二氧化鈦粒子組裝成不同宏觀形態(tài)的超材料光學(xué)器件，如可實(shí)現(xiàn)超分辨率顯微成像的固體浸沒超透鏡。
　　
　由于亞波長尺寸的二氧化鈦納米粒子間具有十分緊密的堆積，這些超透鏡在可見光下表現(xiàn)出高的有效折射率以及高度的透明性，因而，納米粒子間可產(chǎn)生局域電場增強(qiáng)效應(yīng)。利用這一效應(yīng)及二氧化鈦材料低吸收損耗的特性，遠(yuǎn)場照明光可通過二氧化鈦納米粒子的間隙傳導(dǎo)至待觀察樣品表面，形成大面積的、亞波長尺寸的近場聚焦光斑；同時(shí)，超透鏡能夠高效的將樣品表面激發(fā)的近場消逝波轉(zhuǎn)變成遠(yuǎn)場傳播波。進(jìn)一步通過光學(xué)顯微鏡捕捉這些攜帶樣品精細(xì)細(xì)節(jié)信息的傳播波，便可實(shí)現(xiàn)超分辨率光學(xué)成像。
　　
　該研究提供了一種在納米尺度操縱可見光的途徑，未來將該組裝方法與納米印跡、微納流體等技術(shù)結(jié)合，有望制備出緊湊、低成本的超材料光學(xué)器件，應(yīng)用于隱身、光子計(jì)算機(jī)、近場光學(xué)檢測(cè)及太陽能利用等領(lǐng)域。