Ein Forschungsteam hat ein Metamaterial entwickelt, das die Polarisation und Richtung des Lichts durch 3D-Aerosol-Nanodruck erkennen kann. Ihre Studie war Vorgestellt In ACS Nano.
Unter der Leitung von Professor Junsuk Rho von der Fakultät für Maschinenbau, der Fakultät für Chemieingenieurwesen und der Fakultät für Elektrotechnik sowie den Doktoranden Younghwan Yang und Hongyoon Kim von der Fakultät für Maschinenbau der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) und anderen stellt die Arbeit einen Durchbruch in der Manipulation von Licht mithilfe von Metamaterialien dar, die in Anwendungen wie Linsen und Hologrammen weit verbreitet sind.
Dreidimensionale Metamaterialien nutzen dreidimensionale Metallstrukturen, um Licht ähnlich wie Antennen zu sammeln und auszustrahlen, wodurch die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie maximiert wird. Diese innovative Technologie ist im Begriff, die Einschränkungen herkömmlicher optischer Geräte zu überwinden.
Derzeit konzentriert sich ein Großteil der Forschung auf zweidimensionale Metallstrukturen, die relativ einfach zu entwerfen und herzustellen sind. Diese Strukturen sind jedoch auf eine feste Ebene beschränkt, was ihre Fähigkeit zur Diversifizierung und Optimierung der optischen Eigenschaften von Metaoberflächen einschränkt.
Durch die Schaffung von Metallnanostrukturen in drei statt zwei Dimensionen können verschiedene Mechanismen für optische Reaktionen innerhalb einer einzigen Nanostruktur implementiert werden. Diese dreidimensionalen Metallnanostrukturen ermöglichen die Integration verschiedener optischer Eigenschaften in ein einziges Metamaterial und erleichtern so die Entwicklung multifunktionaler optischer Sensoren.
In ihrer Studie nutzte das Team die „3D-Aerosol-Nanodrucktechnologie“, um dreidimensionale Nanostrukturen jeder gewünschten Form aus luftgetragenen Metall-Nanoaerosolen parallel durch die Steuerung eines elektrischen Felds in Massenproduktion herzustellen. Diese Technik ermöglichte es ihnen, 3D-Metall-Nanostrukturen, die der Form von „Pi (π)“ ähnelten, unter typischen Temperatur- und Druckbedingungen präzise zu positionieren, zusammenzusetzen und zu erstellen.
Die Experimente zeigten, dass die dreidimensionalen Metall-Nanostrukturen des Teams gleichzeitig zwei unterschiedliche optische Phänomene aufwiesen: „lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR)“ und „quasi-gebundene Zustände im Kontinuum (q-BIC)“.
Bei LSPR kommt es zu der Wechselwirkung freier Elektronen auf der Oberfläche einer Metallstruktur mit Licht, wodurch diese Elektronen mit bestimmten elektromagnetischen Wellen in Resonanz geraten. Bei q-BIC hingegen handelt es sich um ein Phänomen, bei dem Licht in einer Metallnanostruktur gefangen wird.
In einem wohldefinierten Zustand, etwa wenn das Licht senkrecht auftrifft, gibt es nur eine minimale Wechselwirkung mit der Struktur. Unter bestimmten Bedingungen jedoch, etwa wenn das Licht in einem Winkel auftrifft, entsteht ein einzigartig geformter Energiemodus, der das Licht an die Struktur gebunden erscheinen lässt.
Diese doppelten optischen Eigenschaften ermöglichen leistungsstarke optische Sensorik, indem sie die Sensorempfindlichkeit erhöhen und gleichzeitig die Resonanz aufrechterhalten. Obwohl jedes Phänomen einzeln untersucht wurde, wurde die Kombination beider in einer einzigen Struktur bisher nicht demonstriert.
Ein weiterer Durchbruch gelang dem Team durch den Einsatz einer Technik namens „Numerical Aperture-Detective Polarimetry“. Bei dieser Methode werden Pi-förmige Metallnanostrukturen mit einem herkömmlichen Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer kombiniert, um gleichzeitig die Polarisation des Lichts und den Einfallswinkel zu erfassen.
Diese Fähigkeit ermöglicht eine präzise Analyse der Lichtverteilung durch effizientes Sammeln von Licht und liefert im Vergleich zu früheren Methoden ein detaillierteres Verständnis seiner Polarisation und Richtung.
Professor Junsuk Rho von POSTECH sagte: „Dieser Fortschritt wird verschiedenen Bereichen wie der optischen Filterung, der hochempfindlichen Biosensorik und der Umweltüberwachung zugutekommen.“
Younghwan Yang sagte: „Unsere laufende Forschung zielt darauf ab, diese Technologie weiterzuentwickeln und zu kommerzialisieren, um präzisere und schnellere optische Analysesysteme zu ermöglichen.“
Mehr Informationen:
Younghwan Yang et al, Winkelaufgelöste Polarimetrie mit quasi-gebundenen Zuständen in kontinuierlichen plasmonischen Metamaterialien mittels 3D-Aerosol-Nanodruck, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.3c12024