Spiraalvormige plasmonische nanostructuren hebben veel aandacht getrokken in materiaalkunde en scheikunde vanwege hun inherente optische chiraliteit. In een nieuw rapport Yang Chen en een onderzoeksteam van de afdeling Mechanische en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek in de VS hebben unieke 3-D Janus (nanodeeltjes met twee of meer oppervlakte-eigenschappen) plasmonische spiraalvormige nano-openingen (schroefvormige gaten) ontwikkeld. met richtinggestuurde polarisatiegevoeligheid. Ze ontwierpen de spiraalvormige structuren met behulp van éénstaps grijswaardenfocused ionenbundelfrezen (FIB). Chen et al. codeerde vervolgens het Janus-meta-oppervlak met twee nanoaperture-enantiomeren (links- en rechtshandige spiegelbeeldmoleculen van elkaar) met specifieke rotatiehoeken om voor het eerst richtinggestuurde polarisatiegegevenscodering aan te tonen.

De monsters die in het werk zijn ontworpen, maakten de selectieve transmissie van bepaalde soorten gepolariseerd licht mogelijk, terwijl je anderen blokkeert. Deze gevoeligheid voor polarisatie was afhankelijk van de richting van het invallende licht; bijvoorbeeld, licht in een specifieke richting zette de arrays ertoe aan om binaire afbeeldingen te produceren, terwijl licht in de tegenovergestelde richting grijswaardenfoto's zou kunnen reproduceren. Chen et al. stel je voor dat je de voorgestelde Janus-spiraalvormige nano-openingen gebruikt voor een verscheidenheid aan toepassingen, variërend van polarisatiecontrole binnen ingebouwde fotonische apparaten, geavanceerde enantiomeerdetectie, gegevensversleuteling en -ontsleuteling, evenals optische informatieverwerking. De nieuwe resultaten zijn nu gepubliceerd in Licht:wetenschap en toepassingen .

Chiraliteit werd voor het eerst gedefinieerd door Lord Kelvin om een ​​geometrische figuur te beschrijven waarvan het spiegelbeeld niet met zichzelf kon samenvallen. De eigenschap is alomtegenwoordig in biologische objecten die variëren van kleine biomoleculen zoals aminozuren en nucleotiden tot grotere macromoleculen zoals eiwitten en nucleïnezuren, en zelfs onze handen en voeten. Terwijl de linkshandige en rechtshandige versies van een molecuul dat bekend staat als enantiomeren vergelijkbare chemische en fysische eigenschappen kunnen hebben, ze kunnen totaal verschillende biologische functies vervullen in diverse toepassingsgebieden.

Circulair dichroïsme (CD) spectroscopie wordt meestal gebruikt om de chiroptica van twee enantiomeren te analyseren, maar chiroptische effecten zijn extreem zwak in natuurlijke materialen. Om deze uitdaging te overwinnen, wetenschappers ontwikkelden eerder chirale plasmonische structuren om CD-signalen van chirale moleculen aanzienlijk te stimuleren. Afgezien van dit doel, dergelijke structuren hebben ook aanvullende toepassingen als miniatuurpolarisatoren, niet-lineaire optica en spin-gestuurde optische apparaten. Spiraalvormige plasmonische nanostructuren zijn belangrijk omdat de elektrische veldvector van circulair gepolariseerd licht (CPL) een spiraalvormig traject kan volgen. Als resultaat, sterke interacties van lichte materie worden verwacht wanneer de handigheid van spiraalvormige nanostructuren overeenkomt met die van CPL. Echter, het is een uitdaging om dergelijke spiraalvormige nanostructuren in de praktijk te fabriceren.

Materiaalwetenschappers hebben eerder gebruik gemaakt van direct laserschrijven met twee fotonen gevolgd door een galvaniseerstap om een ​​3D plasmonische helix te produceren. die ruimtelijke resolutielimieten had op microschaal tijdens toepassingen in het zichtbare en bijna-IR-spectrum. evenzo, gerichte door elektronen / ionenbundel geïnduceerde afzetting zou de spiraalvormige structuur kunnen schalen naar de nanostructuur, maar de methode miste snelheid voor grootschalige productie. Als gevolg hiervan, lithografiefaciliteiten met uitlijning met hoge resolutie en delicate operaties zijn momenteel vereist om gemakkelijk en snel plasmonische spiraalvormige nanostructuren te fabriceren met gigantische CD-signalen.

In het huidige werk, Chen et al. geëtst de 3-D Janus plasmonische spiraalvormige nano-openingen op een enkele, optisch dikke gouden film met een boogvormige opening en boogvormige gradiëntgroef die end-to-end met elkaar zijn verbonden. Gebaseerd op de diepte van de gradiëntgroef, die met de klok mee of tegen de klok in werd verhoogd, de chirale spiraalvormige nano-openingen bestonden in twee enantiomere vormen als versies 'A' en 'B' die spiegelsymmetrisch waren ten opzichte van elkaar. De wetenschappers pasten een hoge dosis Ga . toe ⁺ ionen tijdens het proces van gefocusseerde ionenbundelfrezen en de focus en astigmatisme van de ionenbundel subtiel aangepast om de 3-D spiraalvormige nano-openingsarrays met bevredigende uniformiteit te vormen.

Vervolgens bestudeerden ze de chiroptische eigenschappen van 3-D plasmonische spiraalvormige nano-openingen in de voorwaartse richting, wanneer het circulair gepolariseerd licht (CPL) op het gouden oppervlak werd verlicht en vanuit het silicasubstraat binnen de experimentele opstelling werd doorgelaten. De numerieke simulatie uitgevoerd met COMSOL Multiphysics en de experimentele resultaten van de studie vielen met elkaar samen, en Chen et al. schreven eventuele experimentele afwijkingen toe aan fabricage-imperfecties in het FIB-systeem.

De wetenschappers hebben de 3D-spiraalvormige nano-openingen gemodelleerd als een reeks gecascadeerde boogvormige golfgeleidersegmenten om de verwachte optische chiraliteit te bereiken. Als de handigheid van de CPL (circulair gepolariseerd licht) overeenkwam met die van de gradiëntgroef, het binnenkomende optische vermogen zou kunnen worden verzameld in het apertuurgebied langs de gradiëntgroef om een ​​sterke transmissie in de experimentele opstelling te produceren.

Chen et al. vervolgens de optische eigenschappen van de 3-D Janus plasmonische spiraalvormige nano-opening in achterwaartse richting bepaald. Voor deze, ze verlichtten het licht in het silicasubstraat om het vanaf het gouden oppervlak door te laten om bijna dezelfde intensiteit in de achterwaartse richting te verkrijgen, de resultaten toonden gigantisch lineair dichroïsme (geen circulair dichroïsme) met circulair gepolariseerd licht.

Op basis van deze resultaten, Chen et al. gecodeerd het Janus-meta-oppervlak om een ​​binaire QR (quick response) code-afbeelding in voorwaartse richting te construeren onder rechtshandige circulair gepolariseerde (RCP) verlichting. In de tweede stap, ze codeerden een grijswaardenafbeelding in achterwaartse richting onder lineair gepolariseerd licht. Ze waren in staat om informatie op hetzelfde Janus-meta-oppervlak te coderen zonder wederzijdse verstoring en de QR-code-afbeelding te onthullen wanneer ze alleen het rechtshandige licht in de voorwaartse richting verlichtten om te decoderen en verbinding te maken met een gecodeerd bericht dat de Wikipedia-site van de natuurkundige Niels Bohr linkte. Chen et al. de breedbandprestaties van het Janus-meta-oppervlak getest om de QR-codeafbeelding te onderscheiden met behulp van een QR-codescanner bij 690 nm, tot 890 nm.

Op deze manier, Chen et al. introduceerde een nieuw type 3-D Janus plasmonische nano-opening met behulp van richtinggeschakelde polarisatiegevoeligheid. Ze hebben het apparaat gefabriceerd met behulp van éénstaps FIB-frezen in grijstinten. Dankzij de unieke optische eigenschappen van de 3D-helix-nanoopeningen konden ze gegevens versleutelen en ontsleutelen met behulp van richtinggestuurde lichtpolarisatie. Het werk heeft extra, toepassingen van de volgende generatie als multifunctionele polarisatoren, beeldschermen met hoge resolutie en optische informatieverwerking.

© 2019 Wetenschap X Netwerk