一种更快获取超材料的方法

译海撷英

一种更快获取超材料的方法

能够以特殊方式与光进行互动的纳米结构材料可制备一系列新型光学器件，如纳米涂层太阳能电池、光学计算机、隐身斗篷等。一种新的制备方法能够更加容易地设计、制造大尺寸的片状超材料。

为挖掘在利用可见光或红外线的成像和通信领域的潜在应用，研究人员利用金属和半导体材料制备了具有致密、错综复杂的纳米图案的超材料。该类材料的制备通常利用过程缓慢且价格昂贵的电子束光刻或离子束光刻等技术。据哈佛大学George M.Whitesides实验室的研究员Alex Nemiroski介绍，光刻技术能够更快速地制备超材料，但是其分辨率较低且不能形成高密度、有序的图案。为了加快创新的步伐，研究人员需要具备快速制备光刻样机并测试超材料的设计的能力，企业需要拥有快速制备大尺寸材料的工艺。

Nemirosk通过调整现有技术中的阴影投射光刻技术，研发出了一种更快、更通用的超材料制备方法——利用一个简单的模板（通常由致密的纳米球制成）来阻碍物理气相沉积（PVD）腔室中的原子沉积，他认为，在沉积过程中多次改变原子源的位置可以创建更复杂的图案。

这种新的方法被称为阴影纳米球光刻技术。研究人员先向水中滴入直径为1 μm的聚苯乙烯微球，利用静电作用使其团聚，然后将团聚的微球置于硅片的表面并干燥。如有需要，可对硅片上的微球进行蚀刻以获得更小尺寸的聚苯乙烯微球。接下来，研究人员将硅片放入PVD腔室中，对所选择的材料进行沉积。在原子沉积到硅片表面的过程中，聚苯乙烯微球阻碍了部分原子的沉积路径。为获得特定的纳米尺度结构，可以通过改变沉积源角度的方法，从一个阴影图案开始，重复沉积不同的图案。

利用该技术，哈佛大学的研究团队利用铜、钛和其他金属制备了一系列图案化超材料。这些样板材料的曲率半径低至10 nm。Nemiroski认为半导体材料和电解质材料均可用来制备该类超材料。

Nemiroski开发设计了控制沉积过程的软件，它不仅能够自动生成沉积源的移动序列，并根据所要求的图案限定微球的尺寸，还能够预测最终所得材料的光学性质。

伊利诺伊大学香槟分校从事利用新型光刻技术制备超材料研究的材料学家Paul V.Braun表示：“我从来没有想到，可以利用这些自组装胶体来创建复杂的结构。”据他介绍，超材料所检测到的光学性能与哈佛大学软件预测的一致，表明该制备方法切实可行。

此外，Braun还指出聚苯乙烯微球具有一定的缺陷，它们不能完美地堆积，导致最终所得材料也存在缺陷。Nemiroski表示哈佛大学的研究团队目前正在研究这一问题。