宁波材料所在人工微纳结构的光学性能调控与应用方面取得进展

2023/9/4 13:42:18 13613: 来源：宁波材料所陈芝琳

摘要：目前，人工微纳结构超材料开发及应用仍然受到大面积制备、灵活的性能调控、异质集成等掣肘因素的制约。

　　【仪表网研发快讯】依赖金属微纳结构(包括一维纳米粒子、二维纳米线阵列、三维纳米团束等)的等离激元共振光学吸收、结构间电磁耦合、多物理效应的耦合叠加等物理机制，人工微纳结构的金属陶瓷复合电磁超材料具有丰富的光学特性，在光热转换、物理结构色、超黑吸收、亚波长成像、光通讯及辐射制冷等领域具有重大的应用价值。目前，人工微纳结构超材料开发及应用仍然受到大面积制备、灵活的性能调控、异质集成等掣肘因素的制约。因此，探究光学性能优异、人工微结构易调控及易宏量制备和集成的超材料对光学器件(组件)应用至关重要。

　　中国科学院宁波材料技术与工程研究所科研团队在金属/介质人工微纳结构及光学性能方面取得系列进展。该团队使用磁控溅射一步法工艺制备出金属纳米粒子/纳米线/纳米团束-二氧化硅复合超材料，利用上述微纳结构以及膜系叠层结构激发的等离激元效应，实现可见光超宽带完美吸收及高纯度色彩显示(Appl. Mater. Today, 26, 2022, 101266，如图1)。此外，通过溶液刻蚀快速处理工艺，可以完美去除金属纳米线-介质复合超材料中的金属相，成功获得纳米空气柱阵列-二氧化硅复合超材料，其等效折射率从1.15至1.40连续可调，有望用于减反、增透、折射率匹配等光学器件/系统应用场景(Mater. Today Phys., 2022, 26, 100722，如图2)。

　　近期，团队基于金属纳米线基超材料，突破现有红外介质超材料设计及折射率值的限制，利用磁控共溅射制备银纳米线-硅(或者锗)复合介质超材料。研究人员通过减小金属单元间距至sub-5纳米尺度及提高环境折射率(从常规有机配体的1.49提升至硅/锗的3.4/4.0)以增大纳米腔中的电容耦合，同时由于金属单元直径至sub-10纳米尺度，抗磁响应显著降低，这些物理效应的人为调控有助于突破折射率的上限。研究结果表明，该金属纳米线基超材料的红外折射率极值可达7.2，且在2-10微米宽光谱范围内保持低色散和低损耗特性，有望应用于多种纳米光子学器件中(Adv. Opt. Mater., 2023, 2301334，如图3)。

　　上述研究得到了国家重点研发计划(2021YFB3700604)、宁波市自然科学基金(2021J201)、浙江省科技创新领军人才(2018R52006)等项目的支持。