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顾敏院士课题组在仿生光子学领域取得重要进展

2016-09-28 14:03:51

自然界中广泛存在具有奇特性能的光子学微纳结构。作为一个典型的例子,蝴蝶翅膀具有的鲜艳亮丽的颜色就是因为其翅膀上的独特的微纳结构。对这些微纳结构的研究揭示了生物神奇的光子学现象,同时也启发了人们制造类似的仿生结构,广泛应用于光子学的各个领域。

自然界中有一种名叫CallophrysRubi的蝴蝶,其翅膀上具有一种独特的,被抽象为“Gyroid”几何构型的微纳结构。“Gyroid”结构具有独特的光学性能,作为一种周期结构,它能够展示光子晶体所具有的光子带隙;同时由于其结构独特的立方对称性,他能够展示独特的类似于石墨烯所拥有的“狄拉克点”。另一方面,“Gyroid”结构天然具有手性,这使得它具有手性光学性能。“Gyroid”结构对同一个波长,不同偏振状态的光具有不同的透射率和反射率。


对自然界中发现的光子学微纳结构进行抽象和复制,是光子学仿生结构研究最重要,同时也是最基础的一步。由于精密制造技术的限制,按原样精确复制出物体尺寸小于100纳米,物体间距低于400纳米的三维生物结构仍然是一件极具挑战的事情。美国麻省理工学院的科学家采用全息光刻的方法,可以复制这种“Gyroid”生物光子学仿生结构。然而该方法只能够在对原样进行抽象后,按照不同的放大比例进行复制。放大后的复制品已经丧失了原样在其光谱功能区间的光学性能。英国剑桥大学的科学家采用自组装的方法可以按1:1:比例进行复制,然而,自组装方法过于复杂,而且存在不可以控制的缺陷。因此该方法也不是理想的仿生光子学结构复制方法。


澳大利亚皇家墨尔本理工大学顾敏院士领导的研究团队,通过使用兼顾三维制造能力和超越衍射极限分辨率的双光束光刻技术,首次按1:1比例完全精确模拟复制“Gyroid”这种具有光学功能活性的三维生物纳米结构。该论文以“Biomimetic photonics exceeding their natural origins”为题,于5月13日在Science子刊Science Advances上发表(DOI:10.1126/sciadv.1600084)。该论文通讯作者、澳大利亚科学院、澳大利亚技术科学与工程学院院士、澳大利亚皇家墨尔本理工大学副校长顾敏院士谈到:“双光束光刻技术超越衍射极限的分辨率使得复制比例最低能够达到1:0.85(原样:复制品)。同时相比于单光束光刻,双光束光刻技术制备的微纳结构具有更强的力学性能。这使得其制备的更小的三维纳米结构具有足够的力学强度支持自我。整体上,双光束光刻技术复制出的CallophrysRubi蝴蝶翅膀的Gyroid结构在尺度,几何形状,晶格均匀性等多个方面超越了其原样,为光子学仿生结构的研究提供了新的工具和新的方向。”


该论文第一作者,澳大利亚斯威本科技大学研究人员、SIEF John Stocker Postdoctoral Fellowship获得者、甘棕松博士谈到:“当前,人类渴望制造出更小的,更紧凑的元器件。因为更小更紧凑意味着可以在单位体积中集成更多的元器件,从而整体上使其功能更强大。与二维器件相比,比如光刻技术制造的二维芯片,更小的,更紧凑的维元器件存在着因为力学性能变弱而导致三维结构坍塌的风险。一个形象的比就是,如果将制造三维结构比做盖房子,其目标是在单位体积内盖出尽可能多的房间数,那么更小的柱子,更细的梁就意味着可以把房间的大小做得更小。可是一种非常可能的后果是,如果柱子和梁过细小,房子盖起来的时候,也就意味着房子已经坍塌了。这其中存在一个天然的矛盾。由于其不凡的增强力学性能的能力,超越衍射极限分辨率的双光束光刻技术是一种先进的制造技术,它能够更好地在这个矛盾之间平衡左右。该方法为众多存在这个矛盾的领域展示了可能的平衡途径,比如三维电子芯片制造,光子芯片制造等等。”