Het team gebruikt 3D-aerosol-nanoprinting om de prestaties van metamaterialen te verbeteren

Een onderzoeksteam heeft een metamateriaal ontwikkeld dat de polarisatie en richting van licht kan detecteren door middel van 3D-aerosol-nanoprinting. Hun studie was aanbevolen in ACS Nano.

Onder leiding van professor Junsuk Rho van de afdeling Werktuigbouwkunde, de afdeling Chemische Technologie en de afdeling Elektrotechniek en Ph.D. kandidaten Younghwan Yang en Hongyoon Kim van de afdeling Werktuigbouwkunde aan de Pohang Universiteit voor Wetenschap en Technologie (POSTECH), en anderen, betekent het werk een doorbraak in de manipulatie van licht met behulp van metamaterialen die veel worden gebruikt in toepassingen zoals lenzen en hologrammen.

Meer specifiek maken driedimensionale metamaterialen gebruik van driedimensionale metaalstructuren om licht te verzamelen en uit te zenden op een manier die vergelijkbaar is met antennes, waardoor de interactie tussen licht en materie wordt gemaximaliseerd. Deze innovatieve technologie staat klaar om de beperkingen van conventionele optische apparaten te overwinnen.

Momenteel is veel van het onderzoek gericht op tweedimensionale metaalconstructies die relatief eenvoudig te ontwerpen en te vervaardigen zijn. Deze structuren zijn echter beperkt tot een vast vlak, waardoor hun vermogen om de optische eigenschappen van metasurfaces te diversifiëren en te optimaliseren wordt beperkt.

Door metalen nanostructuren in drie dimensies te creëren in plaats van twee, kunnen verschillende mechanismen voor optische reacties binnen een enkele nanostructuur worden geïmplementeerd. Deze driedimensionale metalen nanostructuren maken de integratie van verschillende optische eigenschappen in één enkel metamateriaal mogelijk, waardoor de ontwikkeling van multifunctionele optische sensoren wordt vergemakkelijkt.

In hun onderzoek gebruikte het team ‘3D-aërosol-nanoprinttechnologie’ om op parallelle wijze driedimensionale nanostructuren van elke gewenste vorm in massa te produceren uit metalen nano-aërosolen in de lucht door een elektrisch veld te controleren. Deze techniek stelde hen in staat om 3D-metalen nanostructuren die lijken op de vorm van “pi (π)” nauwkeurig te positioneren, assembleren en creëren onder typische temperatuur- en drukomstandigheden.

De experimenten toonden aan dat de driedimensionale metalen nanostructuren van het team tegelijkertijd twee verschillende optische verschijnselen vertoonden: “gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie (LSPR)” en “quasi-gebonden toestanden in het continuüm (q-BIC)”.

LSPR omvat de interactie van vrije elektronen op het oppervlak van een metalen structuur met licht, waardoor deze elektronen gaan resoneren met specifieke elektromagnetische golven. Aan de andere kant is q-BIC een fenomeen waarbij licht vast komt te zitten in een metalen nanostructuur.

In een goed gedefinieerde toestand, zoals wanneer licht verticaal invalt, is er minimale interactie met de structuur. Onder specifieke omstandigheden, bijvoorbeeld wanneer licht onder een hoek invalt, wordt er echter een uniek gevormde energiemodus gevormd, waardoor het licht gebonden lijkt aan de structuur.

Deze dubbele optische eigenschappen maken hoogwaardige optische detectie mogelijk door de sensorgevoeligheid te verbeteren terwijl de resonantie behouden blijft. Hoewel elk fenomeen afzonderlijk is bestudeerd, is de combinatie van beide in een enkele structuur nog niet eerder aangetoond.

Het team bereikte ook een doorbraak door gebruik te maken van een techniek die bekend staat als “Numerical Aperture-Detective Polarimetry.” Deze methode combineert pi-vormige metalen nanostructuren met een conventionele Fourier-transformatie-infraroodspectrometer om tegelijkertijd de polarisatie van licht en de invalshoek te detecteren.

Deze mogelijkheid maakt nauwkeurige analyse van de lichtverdeling mogelijk door licht efficiënt te verzamelen, waardoor een gedetailleerder inzicht ontstaat in de polarisatie en richting ervan vergeleken met eerdere methoden.

Professor Junsuk Rho van POSTECH zei: “Deze vooruitgang zal verschillende gebieden ten goede komen, zoals optische filtering, ultragevoelige biosensoren en milieumonitoring.”

Younghwan Yang zei: “Ons lopende onderzoek heeft tot doel deze technologie verder te ontwikkelen en te commercialiseren, waardoor nauwkeurigere en snellere optische analysesystemen mogelijk worden.”