Новый процесс изготовления, описанный в журнале Applied Physics Letters, продвигает наноразмерную металлическую литографию в трех измерениях - и делает это с разрешением, достаточно высоким, чтобы быть практичным для метаматериалов.

"Если вам нужен объемный метаматериал для видимого и инфракрасного излучения, вам нужно внедрить частицы серебра или золота внутрь диэлектрика, и вам нужно сделать это в 3D с высоким разрешением", - говорит ведущий автор Кевин Вора, аспирант Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS).

"Эта работа демонстрирует, что мы можем создавать серебряные точки, которые не связаны по x, y и z", - говорит Вора. "Нет другой технологии, которая реально позволяет вам это сделать. Возможность создавать шаблоны наноструктур в 3D - это очень большой шаг к цели создания объемных метаматериалов".

Вора работает в лаборатории Эрика Мазура, профессора физики и прикладной физики Балкански в SEAS. В течение десятилетий Мазур использовал оборудование, называемое фемтосекундным лазером, для исследования того, как очень сфокусированные мощные вспышки света могут изменять электрические, оптические и физические свойства материала.

Когда обычный лазер светит на прозрачный материал, свет проходит прямо через него с небольшим преломлением. Фемтосекундный лазер особенный, потому что он испускает вспышку фотонов, яркую, как поверхность Солнца, во вспышке, длящейся всего 50 квадриллионных (5 ? 10-14) секунды. Вместо того, чтобы просвечивать материал, эта энергия попадает в ловушку внутри него, возбуждая электроны внутри материала и достигая явления, известного как нелинейное поглощение.

Внутри кармана, где эта энергия задерживается, может происходить химическая реакция, навсегда изменяющая внутреннюю структуру материала. Ранее этот процесс использовался для 2D и простого 3D нанообработки металла.

"Обычно, когда люди используют фемтосекундные лазеры при изготовлении, они создают структуру из дерева: что-то укладывается на что-то другое, поддерживается чем-то другим", - объясняет Мазур.

"Однако, если вы хотите создать массив серебряных точек, они не смогут парить в пространстве".

В новом процессе Вора, Мазур и их коллеги смешивают нитрат серебра, воду и полимер под названием PVP в раствор, который они выпекают на предметном стекле. Затем твердый полимер содержит ионы серебра, которые фоторедуцируются с помощью строго сфокусированных лазерных импульсов с образованием нанокристаллов металлического серебра, поддерживаемых полимерной матрицей.

Необходимость в этой конкретной комбинации химических веществ в нужных концентрациях не была очевидна в предыдущей работе. Исследователи иногда смешивают нитрат серебра с водой, чтобы создать серебряные наноструктуры, но этот процесс не обеспечивает структурной поддержки 3D-рисунка. Другой процесс сочетает нитрат серебра, воду, ПВП и этанол, но образцы очень быстро темнеют и разлагаются, образуя кристаллы серебра по всему полимеру.

С этанолом реакция происходит слишком быстро и неконтролируемо. Команде Мазура нужны были наноразмерные кристаллы, точно распределенные и изолированные в 3D.

"Это был просто вопрос удаления этого реагента, и нам повезло", - говорит Вора. "Что было самым удивительным в этом, так это то, насколько это просто. Это был вопрос меньшего использования".