北理工團(tuán)隊(duì)在鈉等離激元?jiǎng)討B(tài)超表面的研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期:2023-09-18 供稿:物理學(xué)院 攝影:物理學(xué)院
編輯:王莉蓉 審核:陳珂 閱讀次數(shù):近日,,北京理工大學(xué)物理學(xué)院汪洋研究員,、李家方教授和南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院周林教授開展合作,在基于堿金屬鈉的動(dòng)態(tài)超表面方面取得重要進(jìn)展,,該工作發(fā)掘了鈉作為等離激元材料和液態(tài)金屬材料的雙面特性,,實(shí)現(xiàn)了熱敏感的等離激元超表面結(jié)構(gòu)色,并探索了它在信息加密,、溫度傳感方面的應(yīng)用潛力,。相關(guān)研究成果以“Thermosensitive plasmonic color enabled by sodium metasurface”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上[Adv. Funct. Mater., 33, 2214492 (2023)]。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委,、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和北京市自然科學(xué)基金的資助,。
金屬表面等離激元效應(yīng)自發(fā)現(xiàn)就以其獨(dú)特的突破光學(xué)衍射極限的能力受到矚目,繼而在亞波長(zhǎng)光子芯片以及納米尺度成像,、激光和非線性光學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,。其中,基于等離激元微納結(jié)構(gòu)的超表面能夠?qū)崿F(xiàn)包括顏色顯示,、全息成像,、高品質(zhì)因子表面晶格共振、傳感等諸多功能,。在眾多的等離激元材料中,,堿金屬鈉由于其相對(duì)較低的光學(xué)損耗,成為貴金屬的理想替代材料之一,,但其活潑的化學(xué)性質(zhì)使得其材料制備和器件穩(wěn)定性問(wèn)題難以解決,,鈉基等離激元器件鮮有報(bào)道。2020年,,汪洋等人在[Nature, 581, 401 (2020)]上首次報(bào)道了基于鈉的穩(wěn)定,、高性能等離激元器件,研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種熱輔助的液態(tài)金屬旋涂技術(shù),,實(shí)現(xiàn)高性能等離激元光波導(dǎo)和納米激光器,,首次證實(shí)了鈉基等離激元器件的可行性。此外,,堿金屬鈉在地殼中的豐度遠(yuǎn)高于貴金屬,,且具有成熟的工業(yè)制造工藝,因此是未來(lái)大規(guī)模實(shí)現(xiàn)微納光子器件的理想材料之一,。
除了優(yōu)于貴金屬的光學(xué)性能,,堿金屬材料的化學(xué)和物理活性使其還具有動(dòng)態(tài)等離激元調(diào)控的能力,。如鋰體系下的采用電化學(xué)手段的電池原位光譜監(jiān)控和動(dòng)態(tài)顯示等。但是,,由于鈉更高的金屬活性,,其動(dòng)態(tài)操控策略在技術(shù)上存在的很大挑戰(zhàn),限制了這一高性能等離激元材料在現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用,。因此,,探索基于鈉的低成本、高性能的動(dòng)態(tài)等離激元器件,,具有重要的意義,。
在本工作中,研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)展了金屬鈉熱輔助液態(tài)旋涂技術(shù),,通過(guò)多物理場(chǎng)模擬和實(shí)驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)了液態(tài)鈉與石英多孔結(jié)構(gòu)在接觸過(guò)程中的非浸潤(rùn)中間態(tài)(圖1),,研究人員通過(guò)快速冷卻技術(shù)將浸潤(rùn)過(guò)程中斷,使得這種納米反穹頂結(jié)構(gòu)定形,,再經(jīng)過(guò)后續(xù)對(duì)器件進(jìn)行加熱熔化,,實(shí)現(xiàn)反穹頂結(jié)構(gòu)向穹頂結(jié)構(gòu)的納米形變。理論分析證明,,這種納米形變能夠引起器件反射光譜的變化(圖2),,在石英、鈉,、氣體三者的界面處,,形成了表面等離激元與間隙等離激元共振的模式混合,隨著形變的發(fā)生和氣體間隙的縮小,,混合模式的共振增強(qiáng)并產(chǎn)生紅移,。
圖1. 鈉超表面在熱驅(qū)動(dòng)下的納米結(jié)構(gòu)形變
圖2. 等離激元結(jié)構(gòu)色超表面的光譜變化機(jī)制
借助這一液態(tài)金屬納米形變誘發(fā)的光譜變化機(jī)制,研究人員構(gòu)造了在可見波段響應(yīng)的等離激元結(jié)構(gòu)色超表面(圖3),??梢钥吹剑趯?duì)器件進(jìn)行加熱后,,顏色發(fā)生了明顯的變化,。進(jìn)一步的,研究人員通過(guò)控制石英納米微孔的大小,,開發(fā)了一種具有“隱形墨水”功能的鈉超表面器件,。如圖4所示,當(dāng)石英微孔足夠小時(shí),,反穹頂結(jié)構(gòu)的曲率能夠大大增加,,從而接近于平面,使得反射光譜接近于鏡面反射,,在器件中的鈉受熱熔化后,,對(duì)微孔進(jìn)行填充,,使得圖案顯形。鈉的熔點(diǎn)接近100℃,,因此在溫度報(bào)警、信息加密等方面具有重要的應(yīng)用潛力,。
圖3. 鈉等離激元結(jié)構(gòu)色
圖4. 鈉超表面實(shí)現(xiàn)“隱形墨水”和溫度傳感功能
在本工作中,,研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種熱力學(xué)誘導(dǎo)的納米結(jié)構(gòu)形變來(lái)操控鈉等離激元超表面的方法。利用快速冷卻旋涂技術(shù),,構(gòu)造了具有氣態(tài)納米間隙的納米反穹頂結(jié)構(gòu)的等離激元結(jié)構(gòu)色,。當(dāng)鈉再次被加熱到液態(tài)時(shí),在石英納米孔附近發(fā)生了液態(tài)金屬形變,,從而改變反射光譜和顏色,。理論分析表明,顏色變化主要源于混合等離激元共振模式的變化,。最后,,研究人員設(shè)計(jì)并演示了一種熱敏“隱形墨水”裝置。這些結(jié)果表明,,鈉基等離激元超表面在傳感器,、信息加密、光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ),、成像和顯示器中具有巨大的應(yīng)用潛力,,為低損耗等離子體器件的動(dòng)態(tài)控制提供了新的研究路徑。
北京理工大學(xué)物理學(xué)院博士研究生趙英浩,、南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院博士研究生楊宇涵為論文的共同第一作者,,北京理工大學(xué)汪洋研究員、李家方教授和南京大學(xué)周林教授為共同通訊作者,。
論文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202214492
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