北理工在納米剪紙-可變形立體超表面研究取得重要進展


  近日,北京理工大學物理學院李家方、張向東、姚裕貴教授團隊,與中科院物理所團隊、暨南大學徐毅教授及李向平教授合作,制備了一種新穎的可變形立體超表面結構,獲得了超強的光學手性,實現了圓二色性的片上可逆調諧。該創新成果發表在國際頂級期刊Advanced Materials(IF:25.809)上。

  人工三維超材料和二維超表面是當今納米光子學的兩個重要前沿研究領域。其中,光學波段超材料在三維納米制備方面遇到挑戰,二維超表面則在動態調諧方面亟待發展。為解決這些問題,李家方及合作團隊在2018年發明了一種納米剪紙技術[Science Advances 4, eaat4436 (2018)],實現了一系列新穎的三維及準三維納米結構[Nanophotonics 7, 1637 (2018); APL Photonics 3, 100803 (2018)]。自2018年加入北理工物理學院以來,李家方教授繼續與中科院物理所團隊合作,采用納米剪紙技術制備了一種新穎的“2.5維”立體超表面結構,既克服了三維超材料制備的難題,又增加了二維結構面外調諧的功能;并與合作團隊發現了一種新穎的Fano共振增強機制,實現了超強的光學手性。

  手性是自然界廣泛存在的一種基本屬性,從天體到分子都可以找到其身影。然而,自然界結構的光學手性普遍非常微弱且難以調控。為解決這一難題,研究團隊利用納米剪紙技術制備了多種構型的手性超分子,通過研究手性分子面外形變及對稱性、晶格對稱性及周期排布等的影響,實現了近紅外波段圓二色特性的靈活剪裁。

  光頻波段三維超材料和二維超表面的動態調諧是該領域器件應用面臨的障礙之一。該報道的立體超表面擁有新穎的三維扭曲形貌和可逆形變特性,具備動態調控的潛能。為此,合作團隊利用單模光纖反復壓縮和釋放立體超表面,在實驗上實現了近紅外波段圓二色性的片上可逆調諧,為立體超表面在力、熱、光、電、磁、聲等領域的動態調控應用提供了重要的技術參考。

圖1 立體超表面、超分子結構以及Fano共振增強圓二色特性。

圖2 實驗制備的立體超表面及其增強圓二色特性。

圖3 立體超表面圓二色性的可逆動態調諧。

  該研究工作為實現可重構光子器件和芯片集成提供了新穎的平臺,在光學傳感、手性光源、微流體器件、微機電/納米機電等方面有著重要的應用前景。劉之光博士(在北理工主要支持下)、徐毅教授和博士生紀昌銀為論文的共同第一作者,北理工物理學院李家方教授為論文的通訊作者。研究團隊特別感謝中科院物理所光物理實驗室和微加工實驗室的大力合作與支持,感謝麻省理工學院方絢萊教授、華南理工大學李志遠教授和中科院物理所陸凌研究員的支持與幫助。該工作得到了國家自然科學基金面上項目、重點項目,國家重點研發計劃項目,北京理工大學學術啟動項目,廣東省自然科學基金等項目的支持。

  文章信息:Zhiguang Liu#, Yi Xu#, Chang-Yin Ji#, Shanshan Chen, Xiangping Li, Xiangdong Zhang, Yugui Yao, and Jiafang Li*, “Fano-enhanced circular dichroism in deformable stereo metasurfaces”, Advanced Materials 32, 1907077 (2020). (#為共同一作;*為通訊作者)

文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907077

課題組介紹:http://www.nanokirigami.com

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