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纳米切割技术(Nano-kirigami)制造三维结构,将光学设备尺寸缩减了一个数量级

来源:材料科技在线|

发表时间:2018-11-09

点击:14845


日本古代的剪纸和折叠艺术,或者称为剪切技术,可以将平面的二维切口转变为三维结构。科学家认为纳米级的类似方法可以为复杂的三维结构提供简单的制造途径,例如微/纳机电系统,储能系统和生物医学设备。


现在,中国科学院物理研究所,麻省理工学院,华南理工大学和中国科学院大学的研究人员首次使用纳米切割技术生产纳米器件,以此来操纵光


该团队使用聚焦离子束将二维图案切割成几纳米厚的悬浮薄金膜。


麻省理工学院的Nicholas X. Fang解释说:“我们用离子束而非剪刀切割材料,用聚焦离子束按照规定的路径在金属板上书写图案。”


然后用相同的离子束在低密度条件下照射这个断线模式,这就会从晶格中激发出金原子,产生空位,或者将镓离子从薄膜中注入。空位产生拉应力,而嵌入的镓原子产生压缩力。拉伸和压缩应力扭曲薄膜,使其弯曲和扭曲,导致三维结构的形成。


中国科学院物理研究所的Jiafang Li 说:“这两种应力的结合决定了受离子束影响的顶层内的应力分布,从而使受影响较小的底层变形,同样品位置的应力被释放,地形学通过形状转换达到平衡。”


因此,地形学上的设计确定了切口弹出,使薄膜向下弯曲或扭曲。通过使用聚焦离子束切割和照射薄膜,研究人员设计了一步式原位纳米切割工艺,可以创建复杂的三维结构,如风车状结构,这种结构有着很好的光学手性,还具有特定偏振的光。


研究人员还开发了一组方程式,可以确定生成一组特定光学特性所需的精确模式。


Li指出:“大多数以前的切割方法涉及多种材料或多步骤工艺,必须预先设计和严格排序,使它们既不可控也不可重复纳米级,我们独特的切割技术是一种现场实时三维纳米加工方法。”


研究人员指出,使用纳米切割技术创建的光学设备比传统的光学设备小一个数量级,并且该方法可以制作传统纳米加工技术无法生产的更复杂的纳米级几何形状。研究人员利用该方法制作了一系列奇特的三维结构,类似花朵,篮子,螺旋桨,斐波纳契螺旋,甚至是精致的蜘蛛网状结构。


Li说:“纳米切割技术非常简单,该技术可以生产更复杂的光学芯片用于传感,计算,通信系统或微/纳米光子,电子和生物医学设备。”


西北大学的John A. Rogers认为,研究人员已经找到了一些真正创造性的方法,通过在悬浮的二维薄膜前体中利用机械弯曲和变形来生产控制三维金属介观结构。


他说:“由于在聚焦离子束光刻中使用了最新的技术,该工艺尺寸在亚微米范围内很深。由此产生的结构在三维光学超材料方面提供了独特的工程机会。”


将纳米切割技术普及,使其作为制造技术并降低成本将是一项挑战,但研究人员认为,这种多功能方法适用于各种应用的复杂光学芯片


Li说:“例如,我们已经成功地使用纳米切割技术来构建具有交叉极化的超薄径向光栅。”


研究人员现在正致力于研究在静电和纳米力学作用下进行大规模制造和可重构的超材料。


原文来自:materialstoday,原文题目:Nano-kirigami cuts optical devices down to size,由材料科技在线团队编译。

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