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(dòng)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(jì)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(jì)、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(cuò)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(jià)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(gè)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(gè)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(duì)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(jì)了控制沉積過程的軟件，它不僅能夠自動(dòng)生成沉積源的移動(dòng)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(shí)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(duì)目前正在研究這一問題。