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一组三中三精准资料:顧敏院士課題組在仿生光子學領域取得重要進展

2016-09-28 14:03:51

自然界中廣泛存在具有奇特性能的光子學微納結構。作為一個典型的例子,蝴蝶翅膀具有的鮮艷亮麗的顏色就是因為其翅膀上的獨特的微納結構。對這些微納結構的研究揭示了生物神奇的光子學現象,同時也啟發了人們制造類似的仿生結構,廣泛應用于光子學的各個領域。

二连码 www.hppsr.icu 自然界中有一種名叫CallophrysRubi的蝴蝶,其翅膀上具有一種獨特的,被抽象為“Gyroid”幾何構型的微納結構。“Gyroid”結構具有獨特的光學性能,作為一種周期結構,它能夠展示光子晶體所具有的光子帶隙;同時由于其結構獨特的立方對稱性,他能夠展示獨特的類似于石墨烯所擁有的“狄拉克點”。另一方面,“Gyroid”結構天然具有手性,這使得它具有手性光學性能。“Gyroid”結構對同一個波長,不同偏振狀態的光具有不同的透射率和反射率。


對自然界中發現的光子學微納結構進行抽象和復制,是光子學仿生結構研究最重要,同時也是最基礎的一步。由于精密制造技術的限制,按原樣精確復制出物體尺寸小于100納米,物體間距低于400納米的三維生物結構仍然是一件極具挑戰的事情。美國麻省理工學院的科學家采用全息光刻的方法,可以復制這種“Gyroid”生物光子學仿生結構。然而該方法只能夠在對原樣進行抽象后,按照不同的放大比例進行復制。放大后的復制品已經喪失了原樣在其光譜功能區間的光學性能。英國劍橋大學的科學家采用自組裝的方法可以按1:1:比例進行復制,然而,自組裝方法過于復雜,而且存在不可以控制的缺陷。因此該方法也不是理想的仿生光子學結構復制方法。


澳大利亞皇家墨爾本理工大學顧敏院士領導的研究團隊,通過使用兼顧三維制造能力和超越衍射極限分辨率的雙光束光刻技術,首次按1:1比例完全精確模擬復制“Gyroid”這種具有光學功能活性的三維生物納米結構。該論文以“Biomimetic photonics exceeding their natural origins”為題,于5月13日在Science子刊Science Advances上發表(DOI:10.1126/sciadv.1600084)。該論文通訊作者、澳大利亞科學院、澳大利亞技術科學與工程學院院士、澳大利亞皇家墨爾本理工大學副校長顧敏院士談到:“雙光束光刻技術超越衍射極限的分辨率使得復制比例最低能夠達到1:0.85(原樣:復制品)。同時相比于單光束光刻,雙光束光刻技術制備的微納結構具有更強的力學性能。這使得其制備的更小的三維納米結構具有足夠的力學強度支持自我。整體上,雙光束光刻技術復制出的CallophrysRubi蝴蝶翅膀的Gyroid結構在尺度,幾何形狀,晶格均勻性等多個方面超越了其原樣,為光子學仿生結構的研究提供了新的工具和新的方向。”


該論文第一作者,澳大利亞斯威本科技大學研究人員、SIEF John Stocker Postdoctoral Fellowship獲得者、甘棕松博士談到:“當前,人類渴望制造出更小的,更緊湊的元器件。因為更小更緊湊意味著可以在單位體積中集成更多的元器件,從而整體上使其功能更強大。與二維器件相比,比如光刻技術制造的二維芯片,更小的,更緊湊的維元器件存在著因為力學性能變弱而導致三維結構坍塌的風險。一個形象的比就是,如果將制造三維結構比做蓋房子,其目標是在單位體積內蓋出盡可能多的房間數,那么更小的柱子,更細的梁就意味著可以把房間的大小做得更小??墑且恢址淺?贍艿暮蠊?,如果柱子和梁過細小,房子蓋起來的時候,也就意味著房子已經坍塌了。這其中存在一個天然的矛盾。由于其不凡的增強力學性能的能力,超越衍射極限分辨率的雙光束光刻技術是一種先進的制造技術,它能夠更好地在這個矛盾之間平衡左右。該方法為眾多存在這個矛盾的領域展示了可能的平衡途徑,比如三維電子芯片制造,光子芯片制造等等。”