中科院提出金屬陶瓷超材料薄膜制備新方法
更新時(shí)間：2019-11-14 10:07:38 字號：T|T
超材料是具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復合結構或復合材料，它們在超快光調制、負折射率、倏逝波傳播、反常多普勒效應、亞波長(cháng)
超材料是具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復合結構或復合材料，它們在超快光調制、負折射率、倏逝波傳播、反常多普勒效應、亞波長(cháng)成像、隱身、全光通信、光子晶體等領(lǐng)域具有重大應用價(jià)值。
然而，超材料的制備問(wèn)題一直是個(gè)難題。目前常見(jiàn)制備工藝有電子束光刻、激光直寫(xiě)、聚焦離子束刻蝕、模版輔助的電化學(xué)沉積等，這些方法有難以大面積制備、制備成本高、工藝流程繁瑣冗長(cháng)且難于控制等不足。特別以模版輔助電化學(xué)沉積為例，受制于模版本身尺寸所限，超材料的微結構幾何特征尺寸難以進(jìn)入10nm范圍內，而且需要導電襯底，所得材料還有化學(xué)殘留之虞。
近日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所副研究員高俊華和研究員曹鴻濤提出了金屬陶瓷超材料薄膜制備新方法，采用傳統的射頻共濺射沉積工藝，輔以襯底偏壓，制備了定向排布Ag金屬納米線(xiàn)/氧化鋁陶瓷復合超材料薄膜，納米線(xiàn)間距(軸心到軸心)進(jìn)入sub-5nm區間，陣列中納米線(xiàn)平均直徑約為3nm;納米線(xiàn)長(cháng)徑比可根據沉積時(shí)間來(lái)靈活調整;利用PVD鍍膜良好的擴展性，不僅能實(shí)現大面積超材料薄膜的制備，還能方便地以“蓋樓”的方式構筑多層超材料薄膜結構，其中不同層之間可以具有相同的幾何結構特性(直徑，間距，長(cháng)徑比)，亦可以“個(gè)性化定制”各個(gè)層的結構特性;此外，由于是在近似室溫下制備，故無(wú)須單晶或者導電襯底，甚至可以在PET等柔性襯底上制備，為柔性超材料這一新興概念提供了實(shí)物支撐，如圖所示。研究人員從經(jīng)典熱力學(xué)(金屬銀和氧化鋁復合物是相分離體系)、界面結合力、施加襯底偏壓后的沉積區域的濺射粒子動(dòng)力學(xué)分析，輔以對比實(shí)驗(施加襯底偏壓與否)和高分辨微結構觀(guān)察，澄清了Ag金屬納米線(xiàn)/氧化鋁陶瓷復合超材料薄膜直接生長(cháng)的物理化學(xué)機制。
上述結構各向異性超材料展現出了奇異的穩態(tài)和瞬態(tài)光學(xué)性能。由于較小的納米線(xiàn)間距引發(fā)了納米線(xiàn)之間的強耦合作用，軸向的等離子共振吸收峰位可以方便地從可見(jiàn)光區調控至近紅外區;另外，該材料在可見(jiàn)光區展現出超快的非線(xiàn)性光學(xué)特性，等離激元漂白過(guò)程弛豫時(shí)間在1.5皮秒左右。相關(guān)研究已經(jīng)申請了國家專(zhuān)利，并在《******材料》期刊上發(fā)表了研究成果。
然而，超材料的制備問(wèn)題一直是個(gè)難題。目前常見(jiàn)制備工藝有電子束光刻、激光直寫(xiě)、聚焦離子束刻蝕、模版輔助的電化學(xué)沉積等，這些方法有難以大面積制備、制備成本高、工藝流程繁瑣冗長(cháng)且難于控制等不足。特別以模版輔助電化學(xué)沉積為例，受制于模版本身尺寸所限，超材料的微結構幾何特征尺寸難以進(jìn)入10nm范圍內，而且需要導電襯底，所得材料還有化學(xué)殘留之虞。
近日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所副研究員高俊華和研究員曹鴻濤提出了金屬陶瓷超材料薄膜制備新方法，采用傳統的射頻共濺射沉積工藝，輔以襯底偏壓，制備了定向排布Ag金屬納米線(xiàn)/氧化鋁陶瓷復合超材料薄膜，納米線(xiàn)間距(軸心到軸心)進(jìn)入sub-5nm區間，陣列中納米線(xiàn)平均直徑約為3nm;納米線(xiàn)長(cháng)徑比可根據沉積時(shí)間來(lái)靈活調整;利用PVD鍍膜良好的擴展性，不僅能實(shí)現大面積超材料薄膜的制備，還能方便地以“蓋樓”的方式構筑多層超材料薄膜結構，其中不同層之間可以具有相同的幾何結構特性(直徑，間距，長(cháng)徑比)，亦可以“個(gè)性化定制”各個(gè)層的結構特性;此外，由于是在近似室溫下制備，故無(wú)須單晶或者導電襯底，甚至可以在PET等柔性襯底上制備，為柔性超材料這一新興概念提供了實(shí)物支撐，如圖所示。研究人員從經(jīng)典熱力學(xué)(金屬銀和氧化鋁復合物是相分離體系)、界面結合力、施加襯底偏壓后的沉積區域的濺射粒子動(dòng)力學(xué)分析，輔以對比實(shí)驗(施加襯底偏壓與否)和高分辨微結構觀(guān)察，澄清了Ag金屬納米線(xiàn)/氧化鋁陶瓷復合超材料薄膜直接生長(cháng)的物理化學(xué)機制。
上述結構各向異性超材料展現出了奇異的穩態(tài)和瞬態(tài)光學(xué)性能。由于較小的納米線(xiàn)間距引發(fā)了納米線(xiàn)之間的強耦合作用，軸向的等離子共振吸收峰位可以方便地從可見(jiàn)光區調控至近紅外區;另外，該材料在可見(jiàn)光區展現出超快的非線(xiàn)性光學(xué)特性，等離激元漂白過(guò)程弛豫時(shí)間在1.5皮秒左右。相關(guān)研究已經(jīng)申請了國家專(zhuān)利，并在《******材料》期刊上發(fā)表了研究成果。