Un nuovo metodo di fabbricazione capovolto per i metamateriali che manipolano la luce avvolge le nanoparticelle con uno strato di spaziatura trasparente seguito da un rivestimento di metallo. Il modo in cui il rivestimento metallico avvolge parte della nanoparticella pur mantenendo strette tolleranze nanometriche consente uno spazio di progettazione molto più ampio di quanto fosse possibile in precedenza. Credito:Jon Stewart, Duke University
Capovolgendo un tradizionale processo di fabbricazione in laboratorio, i ricercatori della Duke University hanno notevolmente ampliato le capacità di manipolare la luce delle metasuperfici rendendole anche molto più robuste contro gli elementi.
La combinazione potrebbe consentire l'utilizzo di questi dispositivi a maturazione rapida in un'ampia gamma di applicazioni pratiche, come fotocamere che catturano immagini in un ampio spettro di luce in un solo scatto.
I risultati appaiono online il 1° luglio sulla rivista Nano Letters .
La plasmonica è una tecnologia che essenzialmente intrappola l'energia della luce in gruppi di elettroni che oscillano insieme su una superficie metallica. Questo crea un piccolo ma potente campo elettromagnetico che interagisce con la luce in entrata.
Tradizionalmente, questi gruppi di elettroni, chiamati plasmoni, sono stati eccitati sulla superficie dei nanocubi metallici. Controllando le dimensioni dei nanocubi e la loro distanza l'uno dall'altro, nonché la base metallica sottostante, il sistema può essere sintonizzato per assorbire specifiche lunghezze d'onda della luce.
Queste cosiddette metasuperfici plasmoniche sono costituite da tre strati:una base metallica ricoperta da un substrato trasparente sottile di un nanometro sormontato da nanocubi d'argento. Sebbene questa configurazione abbia funzionato bene per le dimostrazioni di laboratorio, lascia poco spazio alla creatività. Poiché un'area della nanoparticella deve trovarsi entro pochi nanometri dalla superficie metallica sottostante, i ricercatori non hanno potuto utilizzare un'ampia varietà di forme.
Per aggirare questo bisogno di piattezza, Maiken Mikkelsen, professore associato di ingegneria elettrica e informatica alla Duke, James N. ed Elizabeth H. Barton, e il suo team hanno deciso di provare a mettere ogni nanoparticella nella sua fossetta o nel suo pozzo. Ciò circonderebbe l'intera metà inferiore delle nanoparticelle di metallo, consentendo ai lati di ospitare plasmoni così come il fondo. Ma a causa delle tolleranze incredibilmente strette, è più facile a dirsi che a farsi.
"Dobbiamo controllare determinate dimensioni con una precisione di un nanometro sulla superficie di un wafer delle dimensioni di un centimetro", ha affermato Mikkelsen. "È come cercare di controllare lo spessore dei fili d'erba su un campo da calcio."
Il nuovo metodo di fabbricazione capovolto consente ai ricercatori di utilizzare un'ampia varietà di nuove forme di nanoparticelle, come sfere e cubottaedri, una forma composta da otto facce triangolari e sei facce quadrate. Credito:Jon Stewart, Duke University
Per affrontare questa sfida, Mikkelsen e il suo laboratorio hanno sostanzialmente capovolto il tradizionale processo di fabbricazione. Invece di iniziare con una superficie metallica e mettere sopra un sottile substrato trasparente seguito da nanocubi, iniziano con i nanocubi, che ricoprono con un rivestimento distanziatore precisamente sottile che segue la forma sottostante e completano con un rivestimento metallico. È quasi come una torta rovesciata all'ananas, dove i nanocubi sono gli ananas che vengono ricoperti di zucchero caramellato e cotti in un fondo sottile.
Poiché più di una superficie dei nanocubi potrebbe ora intrappolare i plasmoni tra gli spazi vuoti, Mikkelsen e i suoi colleghi potrebbero sperimentare in 3D con nuove forme di nanoparticelle. Nel documento, il team ha provato sfere solide e cubottaedri, una forma composta da otto facce triangolari e sei facce quadrate, nonché sfere di metallo con un nucleo di quarzo.
"Sintetizzare le nanoparticelle può essere complicato e ci sono limitazioni per ogni forma", ha detto Mikkelsen. "Potendo utilizzare quasi tutte le forme, apriamo davvero molte nuove possibilità, inclusa l'esplorazione di una varietà di metalli."
I risultati dei test hanno mostrato che non solo il nuovo metodo di fabbricazione può eguagliare o superare le capacità dei metodi precedenti che utilizzano nanocubi d'argento, ma può anche espandere la gamma di frequenze che vengono sfruttate utilizzando queste diverse forme e metalli. La ricerca ha anche rivelato che queste variazioni cambiano nel punto in cui le nanoparticelle catturano l'energia sulle loro superfici. In combinazione con l'ulteriore vantaggio di alterare sostanzialmente l'intero dispositivo avvolgendo le nanoparticelle, la nuova tecnica potrebbe potenzialmente espandere l'uso della tecnologia nel pilotare reazioni chimiche o rivelatori termici.
La prima priorità di Mikkelsen, tuttavia, è applicare la tecnica di fabbricazione al suo progetto per creare una "super fotocamera" in grado di catturare ed elaborare un'ampia gamma di proprietà della luce, come polarizzazione, profondità, fase, coerenza e angolo di incidenza.
"Quello che è veramente significativo qui, è che grandi aree macroscopiche possono essere coperte dalle metasuperfici in modo molto economico, poiché utilizziamo tecniche di fabbricazione interamente prive di litografia", ha detto Mikkelsen. "Ciò significa che le metasuperfici possono essere integrate con altre tecnologie esistenti e anche creare ispirazione per nuove applicazioni di metasuperfici plasmoniche". + Esplora ulteriormente
