En ny upp-och-ned-tillverkningsmetod för ljusmanipulering av metamaterial omsluter nanopartiklar med ett transparent mellanskikt följt av en metallbeläggning. Sättet som metallbeläggningen omsluter en del av nanopartikeln med bibehållen snäva nanometertoleranser möjliggör ett mycket större designutrymme än vad som tidigare varit möjligt. Kredit:Jon Stewart, Duke University
Genom att vända upp och ner på en traditionell labbbaserad tillverkningsprocess har forskare vid Duke University kraftigt utökat förmågan att ljusmanipulera metasytor samtidigt som de har gjort dem mycket mer robusta mot elementen.
Kombinationen skulle kunna göra det möjligt för dessa snabbt mogna enheter att användas i ett brett spektrum av praktiska tillämpningar, som kameror som tar bilder i ett brett spektrum av ljus i en enda slutarsnäpp.
Resultaten visas online den 1 juli i tidskriften Nano Letters .
Plasmonik är en teknik som i huvudsak fångar ljusets energi i grupper av elektroner som oscillerar tillsammans på en metallyta. Detta skapar ett litet men kraftfullt elektromagnetiskt fält som interagerar med inkommande ljus.
Traditionellt har dessa grupper av elektroner – kallade plasmoner – exciterats på ytorna av metallnanokuber. Genom att kontrollera storleken på nanokuberna och deras avstånd från varandra såväl som metallbasen nedanför, kan systemet ställas in för att absorbera specifika våglängder av ljus.
Dessa så kallade plasmoniska metasytor består av tre lager - en metallbas belagd i ett nanometertunt transparent substrat toppat med silvernanokuber. Även om den här konfigurationen har fungerat bra för laboratoriedemonstrationer, lämnar den lite utrymme för kreativitet. Eftersom ett område av nanopartikeln måste vara inom några få nanometer från metallytan under, kunde forskarna inte använda en mängd olika former.
För att komma runt detta behov av platthet beslutade Maiken Mikkelsen, James N. och Elizabeth H. Barton docent i el- och datateknik vid Duke och hennes team att försöka lägga varje nanopartikel i sin egen fördjupning eller brunn. Detta skulle omge hela de nedre halvorna av nanopartiklarna med metall, vilket gör det möjligt för sidorna att vara värd för plasmoner såväl som bottnarna. Men på grund av otroligt snäva toleranser är detta lättare sagt än gjort.
"Vi måste kontrollera vissa dimensioner med en nanometers precision över ytan på en centimeterstor wafer", säger Mikkelsen. "Det är som att försöka kontrollera tjockleken på grässtråna på en fotbollsplan."
Den nya upp-och-ned-tillverkningsmetoden gör det möjligt för forskare att använda ett brett utbud av nya nanopartikelformer, såsom sfärer och cuboctahedra-en form som består av åtta triangulära ytor och sex fyrkantiga ytor. Kredit:Jon Stewart, Duke University
För att möta denna utmaning vände Mikkelsen och hennes laboratorium upp och ner på den traditionella tillverkningsprocessen. Istället för att börja med en metallyta och lägga ett tunt transparent substrat ovanpå följt av nanokuber, börjar de med nanokuberna, som de täcker med en exakt tunn distansbeläggning som följer den underliggande formen, och toppar med en metallbeläggning. Det är nästan som en kaka med ananas upp och ner, där nanokuberna är ananasarna som täcks av karamelliserat socker och bakas till en tunn botten.
Eftersom mer än en yta av nanokuberna nu kunde fånga plasmoner mellan luckor kunde Mikkelsen och hennes kollegor experimentera i 3D med nya nanopartikelformer. I tidningen testade teamet solida sfärer och cuboctaedra – en form som består av åtta triangulära ytor och sex fyrkantiga ytor – samt metallsfärer med en kvartskärna.
"Syntetisering av nanopartiklar kan vara knepigt och det finns begränsningar för varje form," sa Mikkelsen. "Genom att kunna använda nästan alla former öppnar vi verkligen upp för många nya möjligheter, inklusive att utforska en mängd olika metaller."
Testresultat visade att den nya tillverkningsmetoden inte bara kan matcha eller överträffa kapaciteten hos tidigare metoder med silvernanokuber, den kan också utöka utbudet av frekvenser som utnyttjas genom att använda dessa olika former och metaller. Forskningen visade också att dessa variationer förändras där nanopartiklarna fångar energi på deras ytor. I kombination med den extra bonusen att i huvudsak väderbehandla hela enheten genom att omsluta nanopartiklarna, kan den nya tekniken potentiellt utöka teknikens användning till att driva kemiska reaktioner eller termiska detektorer.
Mikkelsens första prioritet är dock att tillämpa tillverkningstekniken på sitt projekt för att skapa en "superkamera" som kan fånga och bearbeta ett brett spektrum av ljusets egenskaper, såsom polarisation, djup, fas, koherens och infallsvinkel.
"Vad som verkligen är betydelsefullt här är att stora, makroskopiska områden kan täckas av metasytorna mycket billigt, eftersom vi använder helt litografifria tillverkningstekniker," sa Mikkelsen. "Detta innebär att metasytorna kan integreras med andra befintliga teknologier och också skapa inspiration för nya plasmoniska metasytor." + Utforska vidare
