譯海擷英

一種更快獲取超材料的方法

能夠以特殊方式與光進(jìn)行互動的納米結(jié)構(gòu)材料可制備一系列新型光學(xué)器件，如納米涂層太陽能電池、光學(xué)計算機(jī)、隱身斗篷等。一種新的制備方法能夠更加容易地設(shè)計、制造大尺寸的片狀超材料。

為挖掘在利用可見光或紅外線的成像和通信領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，研究人員利用金屬和半導(dǎo)體材料制備了具有致密、錯綜復(fù)雜的納米圖案的超材料。該類材料的制備通常利用過程緩慢且價格昂貴的電子束光刻或離子束光刻等技術(shù)。據(jù)哈佛大學(xué)George M.Whitesides實驗室的研究員Alex Nemiroski介紹，光刻技術(shù)能夠更快速地制備超材料，但是其分辨率較低且不能形成高密度、有序的圖案。為了加快創(chuàng)新的步伐，研究人員需要具備快速制備光刻樣機(jī)并測試超材料的設(shè)計的能力，企業(yè)需要擁有快速制備大尺寸材料的工藝。

Nemirosk通過調(diào)整現(xiàn)有技術(shù)中的陰影投射光刻技術(shù)，研發(fā)出了一種更快、更通用的超材料制備方法——利用一個簡單的模板（通常由致密的納米球制成）來阻礙物理氣相沉積（PVD）腔室中的原子沉積，他認(rèn)為，在沉積過程中多次改變原子源的位置可以創(chuàng)建更復(fù)雜的圖案。

這種新的方法被稱為陰影納米球光刻技術(shù)。研究人員先向水中滴入直徑為1 μm的聚苯乙烯微球，利用靜電作用使其團(tuán)聚，然后將團(tuán)聚的微球置于硅片的表面并干燥。如有需要，可對硅片上的微球進(jìn)行蝕刻以獲得更小尺寸的聚苯乙烯微球。接下來，研究人員將硅片放入PVD腔室中，對所選擇的材料進(jìn)行沉積。在原子沉積到硅片表面的過程中，聚苯乙烯微球阻礙了部分原子的沉積路徑。為獲得特定的納米尺度結(jié)構(gòu)，可以通過改變沉積源角度的方法，從一個陰影圖案開始，重復(fù)沉積不同的圖案。

利用該技術(shù)，哈佛大學(xué)的研究團(tuán)隊利用銅、鈦和其他金屬制備了一系列圖案化超材料。這些樣板材料的曲率半徑低至10 nm。Nemiroski認(rèn)為半導(dǎo)體材料和電解質(zhì)材料均可用來制備該類超材料。

Nemiroski開發(fā)設(shè)計了控制沉積過程的軟件，它不僅能夠自動生成沉積源的移動序列，并根據(jù)所要求的圖案限定微球的尺寸，還能夠預(yù)測最終所得材料的光學(xué)性質(zhì)。

伊利諾伊大學(xué)香檳分校從事利用新型光刻技術(shù)制備超材料研究的材料學(xué)家Paul V.Braun表示：“我從來沒有想到，可以利用這些自組裝膠體來創(chuàng)建復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。”據(jù)他介紹，超材料所檢測到的光學(xué)性能與哈佛大學(xué)軟件預(yù)測的一致，表明該制備方法切實可行。

此外，Braun還指出聚苯乙烯微球具有一定的缺陷，它們不能完美地堆積，導(dǎo)致最終所得材料也存在缺陷。Nemiroski表示哈佛大學(xué)的研究團(tuán)隊目前正在研究這一問題。