纳米“剪纸”：利用扭曲和弯曲纳米级材料创造新型光学器

通过聚焦离子束（FIB）可将薄金属箔切片制成不同图案。这些图案使金属折叠成可用于修改光束的预定的形状。图片由研究人员提供。

在过去的几年里，纳米“剪纸”已经成为了一个研究领域。该方法是基于古老的折纸艺术（通过折叠纸张来制作三维形状）和剪纸艺术（既可以剪切也可以折叠），但是它在纳米级别上只适用于平面材料。

目前，麻省理工学院（MIT）和中国的研究人员首次利用光线的控制将这种方法应用于制造纳米器件。这可能为这项研究开辟新的可能性，并利用光最终创造新的通信，检测或计算设备。

麻省理工学院机械工程教授Nicholas Fang和其他五人在《Science Advances》的一篇论文中报告了这一发现。Fang和他的团队采用了标准微芯片制造技术法，利用聚焦离子束在只有几十纳米厚的金属箔上制造出精确的缝隙图案。这一过程使箔片弯曲和扭曲成一个复杂的三维形状，使其能够有选择地过滤特定的偏振光线。

Fang表示，以前为了设计功能性“剪纸”器件，尝试使用了更复杂的制作方法，这些方法需要一系列的折叠步骤，主要是针对机械功能而非光学功能。相比之下，新的纳米器件可以在单个折叠步骤中形成，并可用于执行多个不同的光学功能。

对于这些最初的概念验证性器件，研究小组制作了一种纳米机械等效的特殊的双色滤光镜，可以滤除“右旋”或“左旋”的圆偏振光。为此，他们在薄金属箔上创造了一个只有几百纳米宽的图案，最终形成的材料类似于风车叶片，以一个方向的扭曲来选择相应的光线扭曲。

箔片的扭曲和弯曲是由于相同离子束在金属中切割产生应力。使用少量的离子束会在金属晶格中产生许多空位，并且一些离子最终会滞留在空位中，推动晶格变形并产生强烈的应力，从而导致弯曲。

Fang 解释说： “我们用离子束而不是剪刀来切割材料，通过将规定的图案用聚焦离子束写在金属板上。所以你最终会通过一个精密计划的模式，得到预期起皱的金属色带。”

Fang 说：“这是力学和光学两个领域非常好的结合。”研究小组使用螺旋模式分离出光束的顺时针和逆时针偏振部分，这可能代表了纳米“剪纸”研究的“一个全新的方向”。

Fang 表示，该技术非常简单，通过团队开发的方程式，研究人员现在应该能够从一组预期的光学特性中进行逆向计算，并产生所需的缝隙和褶皱，从而产生这种效果。

他补充说：“该技术允许在光学功能可预测下创建能够达到预期结果的模式。 以前，人们总是凭直觉来进行切割，并针对一个特定预期结果创建“剪纸”模式。”

Fang 指出，这项研究还处于初级阶段，因此需要更多的调查来研究可能的应用。但研究小组称，这些设备的数量级要比那些有相同光学功能的传统设备要小得多，所以这使得更复杂的光学芯片可用于传感、计算、通信系统或生物医学设备。

例如，测量葡萄糖水平的装置通常使用光极性的测量，因为葡萄糖分子以右旋和左旋两种形式存在，与光的作用不同。Fang 解释说，“当光通过溶液时，你可以看到一个分子的，而不是两个分子的混合物。这种方法可以让探测器更小、更高效。”

圆偏振也是一种可以让多个激光束通过光纤传输而不干扰彼此的方法。Fang 说：“人们一直在寻找这样一个激光光学通信系统，可以将光隔离装置中的光束分离出来。而我们已经证明了用纳米尺寸做的器件是可行的。”

文章来源于materialstoday网站，原文题目：Twisting and bending nanoscale materials creates novel optical devices，由材料科技在线汇总整理。