大面积三维超材料能否彻底改变光学传感

发布时间：2024-07-31 14:33:13 栏目：精选知识

导读 由机械工程系、化学工程系和电气工程系的 Junsuk Rho 教授、浦项科技大学机械工程系的博士生 Younghwan Yang 和 Hongyoon Kim、首...

由机械工程系、化学工程系和电气工程系的 Junsuk Rho 教授、浦项科技大学机械工程系的博士生 Younghwan Yang 和 Hongyoon Kim、首尔国立大学机械工程系的 Mansoo Choi 教授和 Changnyeong Hur 以及韩巴国立大学创意融合工程系的 Wooik Jung 教授领导的研究团队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。他们的研究最近发表在国际纳米科学期刊《ACS Nano》上。



他们的工作标志着利用超材料操控光线的突破，超材料广泛应用于镜头和全息图等应用。具体来说，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，最大限度地提高光与物质之间的相互作用。这项创新技术有望克服传统光学设备的局限性。

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，可以实现单个纳米结构内不同的光学响应机制。这些三维金属纳米结构能够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何所需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“圆周率 (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“连续介质中的准束缚态 (q-BIC)”。LSPR 涉及金属结构表面的自由电子与光的相互作用，导致这些电子与特定的电磁波产生共振。另一方面，q-BIC 是一种光被困在金属纳米结构中的现象。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，导致光似乎被束缚在结构上。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。虽然每种现象都单独研究过，但之前从未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“数值孔径检测偏振法”的技术取得了突破。该方法将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。与以前的方法相比，这种能力可以高效收集光线，从而精确分析光线分布，从而更详细地了解光线的偏振和方向。

浦项科技大学的 Junsuk Rho 教授对此表示乐观，他说：“这项进步将使光学滤波、超灵敏生物传感和环境监测等各个领域受益。” Younghwan Yang 表达了他的愿望，他说：“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。”

这项研究得到了科学和信息通信技术部中期职业研究员计划和 POSCO N.EX.T IMPACT 的支持。