基于溶液法制备的柔性光学超构表面材料

光学超构表面因其具有常规材料难以企及的操控光的波长、振幅、偏振状态和传播方向的能力,近年来引起了人们极大的研究兴趣。其中,光学超构表面因其单元构件中的金属纳米材料与光的相互作用,可以产生局域强烈电磁耦合共振效应引起的表面等离激元效应(LSPR)。且该效应强烈依赖于与材料和周围物质的介电常数,局域材料性质微小改变将导致超构表面光谱上共振峰的明显移动。这使得人们可以利用该效应精确的探测超构表面所处环境中介质的细微变化。然而,利用传统的微纳加工方法制造超构表面势必需要扫描曝光系统(如电子束曝光系统)和高真空度的热/电子束蒸镀过程。这些昂贵且复杂的过程极大的限制了光学超构表面的实用化应用。

香港大学机械工程系李文迪课题组和南方科技大学材料科学与工程系程鑫课题组合作针对这一问题进行了研究。他们使用基于光纤光学的干涉光刻系统在涂覆于导电玻璃衬底的光刻胶上曝光大面积棋盘状纳米结构,再通过低成本高效率的电沉积(电镀)工艺选择性沉积互补的金纳米棋盘结构,并利用热压转移技术将该结构转移至环烯烃共聚物塑料衬底上。利用该方法制造的光学超构表面在用于表面等离激元传感时表现出了优异的性能,在可见光范围内实现了435 nm/RIU的检测灵敏度。结合特定的生物蛋白抗原后,该柔性光学超构表面材料还可用于特异性的生物抗体浓度检测,检测下限优于0.1 μg/mL。

值得说明的是,这些金属纳米结构紧紧的嵌入塑料衬底中,这极大的增强了该柔性超构表面抗弯折特性。在不使用任何粘合剂和表面改性剂的情况下,经过1000次弯折测试后(弯折半径3 mm)该超构表面在其透射光谱的共振峰上没有显示出明显的位移。

研究者相信,此项研究有助于光学超构表面的低成本大批量制造,有望应用于柔性、可穿戴式表面等离激元传感设备的开发及其它柔性微纳光学器件的设计与制造。

相关结果发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201900516)上,论文共同第一作者是蔡暻煊博士和张翠萍博士。