納米壓印技術助力手性成像超構器件

光的偏振是一種有價值的信息通道，在光學器件中得到了廣泛的研究。但是，目前在開發(fā)易于集成和大規(guī)模生產的低折射率對比度、大面積手性超構器件（meta-device）方面的進展非常有限。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，香港城市大學（City University of Hong Kong）的科研團隊在Advances Functional Materials期刊上發(fā)表了以“Nanoimprint Meta-Device for Chiral Imaging”為主題的論文。該論文的第一作者為Jing Cheng Zhang，通訊作者為蔡定平教授（Din Ping Tsai）和彭慧芝教授（Stella W. Pang）。

這項研究報道了一種具有大面積、寬波段的手性操縱的手性成像超構器件，采用納米壓印技術實現(xiàn)了厘米級摩爾紋（Moiré）超構器件。該研究討論了近場的坡印亭矢量（Poynting vector）和奇異性特征以及遠場的手性光學響應。所提出的摩爾紋超構器件可以實現(xiàn)超過10%的圓二色性（CD）。研究人員演示了利用CD機制的進一步手性成像，有望為包括加密與安全、材料科學、生物化學以及醫(yī)學等各應用領域帶來巨大潛力。

摩爾紋超構器件由兩層SU-8超構表面（metasurfaces）組成，這些超構表面以帶有方形納米柱的六角晶格排列，如圖1a所示。接著，研究人員展示了具有精心設計納米結構的低折射率材料基超構器件，可以在近場和遠場中有效地操縱光。圖1b顯示了扭轉的超構器件生成的摩爾紋圖像。圖1c是計算所得的超構器件局域電場分布，并觀測到與實測周期相似的摩爾紋。具有低折射率對比度的超構器件通常被認為對光具有有限操縱。具有兩層納米柱的摩爾紋超構器件的制備流程如圖2a-2h所示。為了將頂部納米柱堆疊在底部納米柱上，采用了反向納米壓印技術。

圖1 手性成像超構器件

圖2 具有兩層納米柱陣列的摩爾紋超構器件的制備流程示意圖

在這項研究中，研究人員還展示了精心設計的低折射率對比度超構器件可以有效地操縱光。圖3說明了器件在近場中具備的光操縱和奇異性特征的獨特能力。圖4a顯示了計算所得的遠場中摩爾紋超構器件的CD信號圖。CD信號的大小可通過比較入射圓偏振光在遠場正入射下的正常透射對比度來確定。超構器件的光譜測量實驗設置如圖4b所示。摩爾紋超構器件獲得的手性圖像如圖5所示。

圖3 摩爾紋超構器件在近場的光操縱和奇異性特征

圖4 摩爾紋超構器件在遠場的手性光學響應

圖5 扭轉角度為57.8°的摩爾紋超構器件的手性成像

綜上所述，這項研究表明，低折射率對比度的摩爾紋超構器件表現(xiàn)出了令人滿意的品質，如寬波段與可調諧能力、可大規(guī)模生產以及易于集成等。利用壓電性可以誘導機械形變，從而調節(jié)摩爾紋超構器件的扭轉角。超構表面可以通過施加壓電力來實現(xiàn)特定角度的動態(tài)旋轉，從而實現(xiàn)對所需CD值的實時操縱。這種能力釋放了超構器件中可調諧性和柔性的潛力。制備的厘米級摩爾紋超構器件利用了先進的納米壓印技術，為生產工業(yè)級組件提供了包括高分辨率、低成本和大規(guī)模生產能力在內的多項優(yōu)勢。該研究對采用納米壓印技術制備的低折射率對比度超構器件的光操縱能力進行了研究，結果表明它可以在近場和遠場有效地操縱光。手性成像的實驗結果表明，提出的超構器件在加密、安全、材料科學、生物化學和醫(yī)學等各類應用領域具有巨大潛力。

審核編輯：劉清