北理工團隊在鈉等離激元動態(tài)超表面的研究中取得重要進展
發(fā)布日期：2023-09-18 供稿：物理學院 攝影：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學物理學院汪洋研究員,、李家方教授和南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院周林教授開展合作，在基于堿金屬鈉的動態(tài)超表面方面取得重要進展,，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,，實現(xiàn)了熱敏感的等離激元超表面結構色，并探索了它在信息加密,、溫度傳感方面的應用潛力,。相關研究成果以“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家自然科學基金委,、國家重點研發(fā)計劃和北京市自然科學基金的資助,。
金屬表面等離激元效應自發(fā)現(xiàn)就以其獨特的突破光學衍射極限的能力受到矚目，繼而在亞波長光子芯片以及納米尺度成像,、激光和非線性光學領域有著廣泛的應用,。其中，基于等離激元微納結構的超表面能夠?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較低的光學損耗，成為貴金屬的理想替代材料之一,，但其活潑的化學性質(zhì)使得其材料制備和器件穩(wěn)定性問題難以解決,，鈉基等離激元器件鮮有報道。2020年,，汪洋等人在[Nature, 581, 401 (2020)]上首次報道了基于鈉的穩(wěn)定,、高性能等離激元器件，研究團隊開發(fā)了一種熱輔助的液態(tài)金屬旋涂技術,，實現(xiàn)高性能等離激元光波導和納米激光器,，首次證實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高于貴金屬,，且具有成熟的工業(yè)制造工藝，因此是未來大規(guī)模實現(xiàn)微納光子器件的理想材料之一,。
除了優(yōu)于貴金屬的光學性能,，堿金屬材料的化學和物理活性使其還具有動態(tài)等離激元調(diào)控的能力。如鋰體系下的采用電化學手段的電池原位光譜監(jiān)控和動態(tài)顯示等,。但是,，由于鈉更高的金屬活性，其動態(tài)操控策略在技術上存在的很大挑戰(zhàn)，限制了這一高性能等離激元材料在現(xiàn)代光學系統(tǒng)中的進一步應用,。因此,，探索基于鈉的低成本、高性能的動態(tài)等離激元器件,，具有重要的意義,。
在本工作中，研究團隊進一步發(fā)展了金屬鈉熱輔助液態(tài)旋涂技術,，通過多物理場模擬和實驗探究發(fā)現(xiàn)了液態(tài)鈉與石英多孔結構在接觸過程中的非浸潤中間態(tài)（圖1）,，研究人員通過快速冷卻技術將浸潤過程中斷，使得這種納米反穹頂結構定形,，再經(jīng)過后續(xù)對器件進行加熱熔化,，實現(xiàn)反穹頂結構向穹頂結構的納米形變。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并產(chǎn)生紅移。
圖1. 鈉超表面在熱驅(qū)動下的納米結構形變
圖2. 等離激元結構色超表面的光譜變化機制
借助這一液態(tài)金屬納米形變誘發(fā)的光譜變化機制,，研究人員構造了在可見波段響應的等離激元結構色超表面（圖3）,。可以看到,，在對器件進行加熱后,，顏色發(fā)生了明顯的變化。進一步的,，研究人員通過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,，當石英微孔足夠小時,，反穹頂結構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，對微孔進行填充,，使得圖案顯形,。鈉的熔點接近100℃，因此在溫度報警、信息加密等方面具有重要的應用潛力,。
圖3. 鈉等離激元結構色
圖4. 鈉超表面實現(xiàn)“隱形墨水”和溫度傳感功能
在本工作中,，研究團隊開發(fā)了一種熱力學誘導的納米結構形變來操控鈉等離激元超表面的方法。利用快速冷卻旋涂技術,，構造了具有氣態(tài)納米間隙的納米反穹頂結構的等離激元結構色,。當鈉再次被加熱到液態(tài)時，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,，研究人員設計并演示了一種熱敏“隱形墨水”裝置。這些結果表明,，鈉基等離激元超表面在傳感器,、信息加密、光學數(shù)據(jù)存儲,、成像和顯示器中具有巨大的應用潛力,，為低損耗等離子體器件的動態(tài)控制提供了新的研究路徑。
北京理工大學物理學院博士研究生趙英浩,、南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院博士研究生楊宇涵為論文的共同第一作者,，北京理工大學汪洋研究員、李家方教授和南京大學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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