中国科学院(中科院)物理所李家方副研究员与华南理工大学李志远教授、麻省理工学院方绚莱教授组成的联合团队,利用从中国传统“拉花剪纸”中汲取到的新颖三维形变思想,首次实现了片上、原位、三维纳米剪纸技术,突破了传统自下而上(bottom-up)、自上而下(top-down)、自组装(self-assembly)等三维纳米加工方法在几何形貌方面的局限,成功制备了形貌特异的三维纳米结构,实现了通信波段光学超手征体的构建。

剪纸作为中国古老的传统艺术之一,已有上千年的历史,被广泛应用在各类窗花、贺卡、仪式和节日所用的装饰中。近年来,剪纸和折纸技术在科学界得到了广泛的重视,包括太空飞行器的太阳能帆板折叠技术,微纳机电系统(MEMS/NEMS),乃至DNA纳米剪裁和折叠技术。这是由于看似简单的剪纸和折纸技术中蕴涵着深邃的科学思想。例如常见的立体剪纸就包含了从二维平面结构到三维立体结构的形变科学。但在纳米尺度,实现片上、原位、可控的三维纳米剪纸是一件十分困难的事情。这是因为,纵然有各种薄膜材料作为“纳米纸张”,人们很难找到一双纳米精度、足够娴熟的“纳米手”来实现手工剪纸般的智能制造。

中科院物理所李家方副研究员与华南理工大学李志远教授、麻省理工学院方绚莱教授合作(如图1所示),采用高剂量的聚焦离子束(FIB)作为“纳米剪刀”,利用低剂量全局帧扫描的FIB作为“纳米手”,成功实现了悬空金纳米薄膜(“纳米纸张”)从二维平面到三维立体结构的原位变换,加工的三维金属结构分辨率在50 nm以下,约为头发丝直径的两千分之一。其基本原理是利用FIB辐照金膜时,薄膜内产生的缺陷和注入的镓离子分别诱导不同类型的应力,结构在自身形貌的智能导向下通过闭环形变达到新的力学平衡态。因此通过设计不同的初始二维图案,可以在同样的扫描条件下分别实现向下或向上的弯折、旋转、扭曲等立体结构形变。


图1 手工剪纸与纳米剪纸。(A),(C),(G)为手工宏观剪纸;(B),(D)~(F),(H)~(J)为基于FIB的纳米剪纸。宏观与纳米结构的比例大小约为10000:1。

合作团队还首次构建了“纳米力学和纳米光子学”一体化研究体系,对三维纳米剪纸的动力学过程进行了完美再现,同时获得纳米结构的内在应力分布和外在光学特性,有望根据目标功能函数,对纳米剪纸进行逆向设计和机器优化,为三维智能纳米制造提供一种新的技术方案。

在应用方面,以往的宏观剪纸技术采用多道复杂工序和复合材料,结构尺寸多在数厘米到数百微米范围,很难实现片上原位制造,其应用也大多局限在机械和力学领域。与其相比,该研究团队发展的纳米剪纸技术拥有更小的纳米量级加工尺度,具有单材、原位、片上可集成的优势,有利于实现光响应的功能结构,例如基于其三维扭曲的技术特点,研究团队实现了一种“风车型”纳米结构阵列,观测到强烈的圆二色性和圆双折射特性(图2),其偏振旋转灵敏达到200,000 o/mm以上,超过了已报道的手征超构材料和二维平面纳米结构。同时,利用其相位及偏振特性,不同手征的风车型结构还可以用来构建性能优异的超表面结构。


图2 基于纳米剪纸的光子学应用。(A)FIB加工的二维风车型结构;(B),(C)纳米剪纸形成的三维风车型结构阵列;(D),(E)圆二色谱和偏振旋转光谱;(F)对应于图(E)的各波长处偏振旋转的极坐标图。比例尺为1 μm。

因此,纳米剪纸突破了传统自下而上、自上而下、自组装等在几何形貌方面的局限,是一种新型的三维纳米制造技术,在光、机、电、声、生化传感等多个领域具有重要的潜在应用。相关成果以“Nano-kirigami with giant optical chirality”为题发表在Science Advances [4 , eaat4436 (2018)]上。该工作得到自然科学基金委、科技部重点研发计划课题、国家留学基金委等经费的支持。

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