团队利用3D气溶胶纳米打印来增强超材料性能

一个研究小组开发了一种能够通过3D气溶胶纳米打印检测光的偏振和方向的超材料。他们的研究成果发表在ACSNano上。

该项研究由机械工程系、化学工程系和电气工程系的JunsukRho教授以及浦项科技大学(POSTECH)机械工程系的博士生YounghwanYang和HongyoonKim等人领导，标志着利用广泛用于透镜和全息图等应用的超材料在光操控方面取得了突破。

具体而言，三维超材料利用三维金属结构以类似天线的方式收集和发射光线，最大限度地发挥光与物质的相互作用，有望突破传统光学器件的局限性。

目前的研究多集中于二维金属结构，其设计和制作相对简单，但这些结构局限于固定的平面，限制了其实现超表面光学特性的多样化和优化。

通过创建三维而非二维的金属纳米结构，可以在单个纳米结构中实现不同的光学响应机制。这些三维金属纳米结构可以将各种光学特性集成到单个超材料中，从而促进多功能光学传感器的开发。

在他们的研究中，该团队利用“3D气溶胶纳米打印技术”，通过控制电场，以并行方式从空气中的金属纳米气溶胶中批量生产任意形状的三维纳米结构。这项技术使他们能够在典型的温度和压力条件下精确定位、组装和创建类似于“π”形状的3D金属纳米结构。

实验表明，该团队的三维金属纳米结构同时表现出两种不同的光学现象：“局部表面等离子体共振(LSPR)”和“连续体中的准束缚态(q-BIC)”。

LSPR是指金属结构表面的自由电子与光发生相互作用，使这些电子与特定的电磁波产生共振。而q-BIC则是光被金属纳米结构捕获的现象。

在明确定义的状态下，例如当光垂直入射时，与结构的相互作用最小。然而，在特定条件下，例如当光以一定角度入射时，会形成独特形状的能量模式，导致光看起来与结构紧密结合。

这些双重光学特性通过提高传感器灵敏度同时保持共振来实现高性能光学传感。虽然每种现象都已单独研究过，但之前从未有人证明过在单一结构中同时存在这两种现象。

研究团队还通过采用一种名为“数值孔径检测偏振测量法”的技术取得了突破。这种方法将π形金属纳米结构与传统的傅里叶变换红外光谱仪相结合，同时检测光的偏振和入射角。

该功能可通过高效收集光线来精确分析光的分布，与以前的方法相比，可以更详细地了解其偏振和方向。

浦项科技大学的JunsukRho教授表示：“这一进步将使光学滤波、超灵敏生物传感和环境监测等各个领域受益。”

YounghwanYang表示：“我们正在进行的研究旨在进一步开发和商业化这项技术，促进更精确、更快速的光学分析系统。”

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