折剪纸到纳米尺度光学器件,MIT联手中国科学家集成3D光学器件

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折剪纸到纳米尺度光学器件,MIT联手中国科学家集成3D光学器件
麻省理工科技评论 2018年7月10日

2018年7月10日

麻省理工学院和中国科研人员首次利用折剪纸原理制造了纳米尺度光学器件,为光通讯、传感和计算领域的新应用开辟了道路。
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麻省理工学院和中国科研人员首次利用折剪纸原理制造了纳米尺度光学器件,为光通讯、传感和计算领域的新应用开辟了道路。

过去几十年来,折剪纸艺术开始引起科学家们的兴趣,因为这是一种用折纸和剪纸操作构建 3 维形体的艺术。从折剪纸艺术中获得的经验被用于纳米尺度的元器件构建。如今,麻省理工学院和中国科研人员首次利用折剪纸原理制造了纳米尺度光学器件,为光通讯、传感和计算领域的新应用开辟了道路。

由 MIT 机械工程教授方绚莱(Nicholas X Fang)和其他 5 名作者组成的团队,将论文发表《科学·前沿》(Science Advances)上。基于标准微芯片制造技术,方绚莱教授领导的团队用聚焦离子束在几十纳米厚的金属薄片上雕刻出预定图形。随后,金属薄片扭曲成一个复杂的 3 维形体,能对特定计划的光进行选择性滤波。

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图丨金属薄片上被离子束雕刻出的缝隙。这些缝隙使得金属按照预定的方式卷曲,这些卷曲的结构可以用来作为光学器件。(研究团队供图)

方绚莱教授表示,类似形状和复杂程度的金属器件之前已经被制造出来,但是制造工艺复杂的多,且加工出的器件主要用于机械而不是光学领域。而新的纳米器件可以一次成型,并用于诸多光学领域中。研究团队的目标是制造一种纳米尺度的,只保留光的一种极化模式的光滤波器。为达到该目的,他们在一片薄金属片上刻出了几百纳米大小的图案,该图案有点像风车叶片,而叶片旋转的方向决定了其允许通过的光波极化方式。

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在图案雕刻完成之后,金属箔片将由于内部应力产生卷曲,这种应力也来自于离子束。离子束的冲击产生了一些空穴,而另一些离子嵌入了金属的晶格结构中,两者联合造就了足以扭曲金属箔片的应力。

方绚莱教授表示,这个过程有点像折剪纸艺术,但是他们用的是离子束,不是剪刀。该纳米器件是机械和光学交叉领域的一个有趣成果,这将为“纳米折剪纸加工”开辟新的方向。

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此外,研究团队已经构建了该加工工艺的数学模型,用户可以直接根据某种需要的光学特性来设计对应的,需要刻在金属箔片上的图案,而之前的设计很大程度上基于直觉和试错。

方绚莱教授指出,该研究仍处于早期阶段,因此科学家希望找出技术的更多应用。这些纳米尺度光学器件可以用来构建更复杂的光学通讯、传感、计算和生物医药技术芯片。例如,葡萄糖分子有左旋和右旋 2 种类型,具有不同的光特性。因此,可以利用这种特性,用纳米光学极化传感器构建更小,更高效的葡萄糖分子感测器。此外,通过光学极化技术,可以让光纤通信实现极化复用,提高光纤容量,而利用纳米光学器件可以构造出更高效的光纤通信系统。

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