纳米压印技术助力手性成像超构器件

光的偏振是一种有价值的信息通道，在光学器件中得到了广泛的研究。但是，目前在开发易于集成和大规模生产的低折射率对比度、大面积手性超构器件（meta-device）方面的进展非常有限。

据麦姆斯咨询报道，近日，香港城市大学（City University of Hong Kong）的科研团队在Advances Functional Materials期刊上发表了以“Nanoimprint meta-Device for Chiral Imaging”为主题的论文。该论文的第一作者为Jing Cheng Zhang，通讯作者为蔡定平教授（Din Ping Tsai）和彭慧芝教授（Stella W. Pang）。

这项研究报道了一种具有大面积、宽波段的手性操纵的手性成像超构器件，采用纳米压印技术实现了厘米级摩尔纹（Moiré）超构器件。该研究讨论了近场的坡印亭矢量（Poynting vector）和奇异性特征以及远场的手性光学响应。所提出的摩尔纹超构器件可以实现超过10%的圆二色性（CD）。研究人员演示了利用CD机制的进一步手性成像，有望为包括加密与安全、材料科学、生物化学以及医学等各应用领域带来巨大潜力。

摩尔纹超构器件由两层SU-8超构表面（metasurfaces）组成，这些超构表面以带有方形纳米柱的六角晶格排列，如图1a所示。接着，研究人员展示了具有精心设计纳米结构的低折射率材料基超构器件，可以在近场和远场中有效地操纵光。图1b显示了扭转的超构器件生成的摩尔纹图像。图1c是计算所得的超构器件局域电场分布，并观测到与实测周期相似的摩尔纹。具有低折射率对比度的超构器件通常被认为对光具有有限操纵。具有两层纳米柱的摩尔纹超构器件的制备流程如图2a-2h所示。为了将顶部纳米柱堆叠在底部纳米柱上，采用了反向纳米压印技术。

在这项研究中，研究人员还展示了精心设计的低折射率对比度超构器件可以有效地操纵光。图3说明了器件在近场中具备的光操纵和奇异性特征的独特能力。图4a显示了计算所得的远场中摩尔纹超构器件的CD信号图。CD信号的大小可通过比较入射圆偏振光在远场正入射下的正常透射对比度来确定。超构器件的光谱测量实验设置如图4b所示。摩尔纹超构器件获得的手性图像如图5所示。

综上所述，这项研究表明，低折射率对比度的摩尔纹超构器件表现出了令人满意的品质，如宽波段与可调谐能力、可大规模生产以及易于集成等。利用压电性可以诱导机械形变，从而调节摩尔纹超构器件的扭转角。超构表面可以通过施加压电力来实现特定角度的动态旋转，从而实现对所需CD值的实时操纵。这种能力释放了超构器件中可调谐性和柔性的潜力。制备的厘米级摩尔纹超构器件利用了先进的纳米压印技术，为生产工业级组件提供了包括高分辨率、低成本和大规模生产能力在内的多项优势。该研究对采用纳米压印技术制备的低折射率对比度超构器件的光操纵能力进行了研究，结果表明它可以在近场和远场有效地操纵光。手性成像的实验结果表明，提出的超构器件在加密、安全、材料科学、生物化学和医学等各类应用领域具有巨大潜力。

图1 手性成像超构器件

图2 具有两层纳米柱阵列的摩尔纹超构器件的制备流程示意图

图3 摩尔纹超构器件在近场的光操纵和奇异性特征

图4 摩尔纹超构器件在远场的手性光学响应

图5 扭转角度为57.8°的摩尔纹超构器件的手性成像