超材料納米新組裝 尺度可操縱可見(jiàn)光

　研究設(shè)計(jì)開(kāi)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)光超材料的最新研究成果。該研究設(shè)計(jì)開(kāi)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(jiàn)光波段的超材料光學(xué)器件。通過(guò)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(méi)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(chǎng)耦合效應(yīng)在該可見(jiàn)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(lái)國(guó)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(zhǎng)結(jié)構(gòu)。武利民團(tuán)隊(duì)使用在可見(jiàn)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(lái)制備可見(jiàn)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(méi)超透鏡。
　　
　由于亞波長(zhǎng)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(jiàn)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(chǎng)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(chǎng)照明光可通過(guò)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(zhǎng)尺寸的近場(chǎng)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(chǎng)消逝波轉(zhuǎn)變成遠(yuǎn)場(chǎng)傳播波。進(jìn)一步通過(guò)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(jiàn)光的途徑，未來(lái)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(chǎng)光學(xué)檢測(cè)及太陽(yáng)能利用等領(lǐng)域。