莫尔超材料与超表面

随着近几十年来纳米科技以及光科学的发展,人类对电磁波的操控能力日益进步。光与物质的相互作用可以通过对微米以及纳米结构进行尺寸以及空间排列的精确控制来得到极大的增强。类似传统材料中的原子,这些微米以及纳米结构被称为超原子。由超原子精确排列而成的三维结构被称为超材料。与其对应的二维排列被称为超表面。由于微米以及纳米结构的尺寸接近可见光和红外光的波长,超材料与超表面拥有许多自然材料无法实现的光学现象,譬如负折射率、超级吸收以及超越散射极限的光学聚焦。

超材料与超表面新颖的光学现象可以被用于许多应用,譬如纳米全息、二次谐波增强以及表面拉曼散射增强。根据具体应用的要求,超材料与超表面的光学响应往往需要被设计为不同的波段。安全验证通常需要紫外材料;而分子探测相关的应用则通常需要可见光波段和红外光波段的材料。因此,可调光学超材料成为了近年来的研究热门。然而由于其复杂的设计以及制备过程,可调节性对于一般的超材料以及超表面来说并不容易实现。最近几年,基于莫尔图案的超材料和超表面为解决这个问题提供了新的思路。具体而言,莫尔图案是由两层或多层有序图案相互叠加而成。通过引入层与层之间尺寸、空间平移或空间旋转的微小差别,这种多层叠加可以形成类似衍射图像的一维或二维莫尔图案。将莫尔图案应用于光学超材料和超表面有两个优势。其一是莫尔图案的结构可以被灵活的调控。因此,通过控制层与层之间的微小平移或旋转,莫尔光学超材料和超表面的结构和光学特性可以被严格的调制。其二是莫尔图案通常是半有序结构,因而其形成的光学超材料和超表面往往比普通有序结构拥有更为丰富的光学模。

近日,美国德克萨斯大学奥斯汀分校的郑跃兵研究团队在Advanced Optical Materials上撰文回顾了莫尔超材料和超表面这一领域的最近几年的新进展。该课题组首先提供了对莫尔图案的组成以及可调节性的相关背景介绍。在介绍完莫尔图案之后,该文回顾了莫尔超材料和超表面的相关纳米或微米制备方法,包括自下而上(bottom-up)的自组装和半自组装方法,以及自上而下(top-down)的纳米光刻法。该文作者还讨论了莫尔超材料与超表面的光学特性以及其在激光、分子探测以及纳米操控方面的应用。最后,郑跃兵教授的团队总结了这个领域所面临的挑战与未来的发展机遇。

本工作以内封面文章的形式发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201701057)上,第一作者为课题组成员伍子龙。

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