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范闻的最新工作发表在Science子刊(Science Advances)上

我校武利民教授团队在可见光超材料研究中取得重要进展

      2016年8月12日,Science子刊(Science Advances)在线刊登了我校材料科学系武利民教授课题组关于可见光超材料的最新研究成果:Three-dimensional all-dielectric metamaterial solid immersion lens for subwavelength imaging at visible frequencies (Sci. Adv. 2016, 2, e1600901)。该研究设计开发了一种新的纳米粒子组装方法——纳米固流体法,首次实现了将高折射率的二氧化钛纳米粒子组装成可工作于可见光波段的超材料光学器件。通过将15纳米的锐钛矿二氧化钛纳米粒子组装成半球形和超半球形固体浸没超透镜(mSIL),在常规的光学显微镜下实现了45纳米的超分辨率显微成像,能把光学显微镜的分辨率提高4到5倍,大幅突破了常规光学显微镜的极限分辨率,并揭示了二氧化钛纳米粒子间的近场耦合效应在该可见光超材料中的重要作用。美国Science Advances press package, Scientific American, 德国Wissenschaft aktuell 新闻网,新华社、中国科技报、中国新闻网、中国日报、上海教育新闻网、中国新材料、搜狐等都有报道等多家国际学术媒体同期报道了该项成果。

       超材料是一种具有特定亚波长结构的人造材料,其通常具有天然材料所不具备的超常物理性质,如电磁隐身、负折射率、亚波长聚焦以及亚波长波导等。目前,绝大多数超材料采用金属材料来制备,这些金属超材料可较好的工作于微波和太赫兹波段。但在更高频率的近红外、特别是可见光波段,金属会吸收过多的光线并造成显著的能量损耗,从而限制了金属超材料在近红外和可见光波段的应用。因此,探索低损耗的非金属超材料的制备与应用是近年来国际上超材料研究领域的热点之一,具有重要的意义。

      制备非金属超材料的难点在于如何将具有高折射率、低吸收损耗的电介质材料加工成特定的亚波长结构。武利民教授团队使用在可见光下具有高折射率且低吸收损耗的锐钛矿二氧化钛材料,提出了一种由下而上的自组装方法来制备可见光超材料。该方法巧妙的利用了油水界面的特性,实现了将15纳米的二氧化钛粒子组装成不同宏观形态的超材料光学器件,如可实现超分辨率显微成像的固体浸没超透镜。由于亚波长尺寸的二氧化钛纳米粒子间具有十分紧密的堆积,这些超透镜在可见光下表现出高的有效折射率以及高度的透明性,因而,纳米粒子间可产生局域电场增强效应。利用这一效应及二氧化钛材料低吸收损耗的特性,远场照明光可通过二氧化钛纳米粒子的间隙传导至待观察样品表面,形成大面积的、亚波长尺寸的近场聚焦光斑;同时,超透镜能够高效的将样品表面激发的近场消逝波转变成远场传播波。进一步通过光学显微镜捕捉这些携带样品精细细节信息的传播波,便可实现超分辨率光学成像。

       该研究提供了一种在纳米尺度操纵可见光的途径,未来将该组装方法与纳米印迹、微纳流体等技术结合,有望制备出紧凑、低成本的超材料光学器件,应用于隐身、光子计算机、近场光学检测及太阳能利用等领域。

       该文章的第一作者为我校材料科学系的范闻博士(现为本校博士后),通讯作者为武利民教授和英国班戈大学王增波博士。研究工作得到了自然科学基金委、上海市科委重点基础研究计划、聚合物分子工程国家重点实验室等的共同资助。

 

1. 15纳米二氧化钛所组装成的超半球mSILSEM图像

2. mSIL对不同样品表面纳米图案的超分辨率光学显微成像。SEM images of (A) a Blu-ray disk containing 100-nm-wide grooves, and the wafer patterns with (E) 60 nm pitches, (I) 50 nm pitches or (M) 45 nm pitches after gold coating of sample (I); and (B), (C), (G) and (K) the bottom surfaces of mSIL detached from the surface of sample (A), (E) and (I), respectively. AFM images of the wafer pattern with (F) 60 nm pitches or (J) 50 nm pitches, respectively. Optical microscopy images of TiO2 mSIL focused on the surface of (D) Blu-ray disk, wafer pattern with (H) 60 nm pitches, (L) 50 nm pitches or (N) to (P) 45 nm pitches, with a magnification factor of 1.8, 3.1, 3.0 and 3.1, respectively. The last mSIL was illuminated under (N) white light, (O) green light (λ~540 nm) or (P) blue light (λ~470 nm), respectively. The mSIL had widths of about 20 μm.