丁涛课题组在激光构筑功能化金属微纳结构方面取得系列进展

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激光直写技术因其较大的灵活性和便捷性，在材料成型、微纳加工、增材制造等领域具有重要的应用价值。但是这种光学加工手段由于衍射极限的限制，其加工精度很难与电子束曝光相媲美，且适用的材料大都限于光刻胶、聚合物等高附加值产品。虽然借助超分辨显微技术（如STED）能够显著地提高加工精度至10纳米以下，但是产生的结构稳定性和力学性能往往较差。因此，如何通过激光直写技术直接得到金属/半导体超结构是微纳光子片上集成、显示、传感等领域的共性关键问题。
        最近，武汉大学物理科学与技术学院丁涛教授课题组利用纳米等离激元的近场增强效应，结合光热、光学力、光化学作用，大大拓展了高精度激光直写所适用的材料体系（Adv. Opt. Mater. 2022, 10, 2102238; Nanophotonics 2022, 11, 1003-1009），并成功地获得了一系列具有手性特征的复杂纳米结构，如枝化的银纳米线 (ACS Nano 2021, 15, 16404-16410)和金纳米颗粒的手性聚集体 (Laser Photonics Review 2022, 16, 2100526)。
         1.光学诱导银纳米线的枝化生长
         银纳米线是一种常见的等离激元光波导材料，如何定点可控地修饰银纳米线对于片上集成光子学芯片具有重要意义。丁涛教授课题组与徐红星院士团队合作，利用641纳米的连续激光辐照浸没在硝酸银溶液中的银纳米线，结果发现这些枝化的银纳米片大都出现在远离光照的地方。结合电磁场、固体流体传热和斯托克斯流多个物理场对整个过程进行数值仿真，计算结果表明银线近场产生的梯度力使生成的银纳米颗粒束缚在银线表面，而温差诱导的热泳力是推动银纳米颗粒横向运动的主导作用力，最终在远离光照的端点处得到具有光学活性的分叉结构（图1）。

图1 激光诱导银纳米线分枝结构的可控生长

         这种分叉结构可以通过控制光照位点呈现出一定的手性选择性，其对应的圆差分散射光谱（CDS）表现出较强的外在手性（40%）（图2a），手性分子（苯丙氨酸）的光谱不对称因子可达3-4个纳米（图2b），检测浓度可低至1000 ppm（图2c），这为手性分子的检测提供了一种新型的纳米光学平台。相关工作发表在美国化学会期刊《ACS Nano》上，物理学院2021级博士毕业生王云霞和胡华天为共同第一作者，丁涛教授和徐红星院士为共同通讯作者。

图2 银纳米线分枝结构的光学手性表征(a)及其在手性分子传感方面的应用(b,c)

          2.光学诱导金纳米颗粒的不对称生长
          传统制备手性微纳结构的方法大都比较复杂或者较为昂贵，直接通过光场产生手性光学结构虽然简单，但其尺寸通常较大，一般很难直接通过光照的手段实现纳米颗粒的手性聚集。这里丁涛课题组利用446纳米的连续激光辐照掺杂有金离子的TiO2薄膜，可在TiO2薄膜表面还原析出金颗粒。由于TiO2薄膜中金离子浓度梯度的存在，这些金纳米颗粒的生长呈现出环状排列。与此同时，光热作用使得临近的金颗粒之间发生熔合，随着光照时间的延长，环状排列金颗粒数目不断减少（图3a-e），当颗粒数减少到三个的时候，这些环状排列的颗粒在概率上表现出几乎均等的左旋或右旋手性特征（图3f），并表现出明显的光学活性（图3g）。该手性三聚体结构同样对手性分子具有良好的光学活性响应，可作为手性分子的传感器件。

图3 环状金纳米颗粒聚集体随时间的演化过程（a-e）。生成三聚体的概率统计（f）及其对应的圆差分散射谱（g）

         相关工作发表在著名光学期刊《Laser & Photonics Reviews》上，物理学院2022级博士毕业生王霜霜为第一作者，丁涛教授为通讯作者。
         以上工作都受到国家重点研发计划(2020YFA0211300)和国家自然科学基金项目(NSFC 11974265, 21703160)资助。
         原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c05796 （ACS Nano）
         https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202100526 （Laser&Photonics Reviews）


        文章来源：武汉大学
        丁涛，武汉大学物理科学与技术学院教授，博士生导师。主要从事光与物质相互作用规律及其应用方面的研究，从物理、化学、材料、工程等交叉学科的角度，研究光子学技术、材料以及器件方面的前沿问题。前期主要研究成果包括新型胶体光子晶体的构筑及功能化、表面等离激元调控以及光驱动纳米机器等，以第一或通讯作者在PNAS, J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., ACS Nano等国际一流杂志发表论文30余篇，部分研究被多家科技媒体广泛报道。他曾获中国科学院优秀博士论文（2013年度），英国Leverhulme Early Career Felllow等荣誉，并受邀担任Adv. Mater., Adv. Opt. Mater., Adv. Funct. Mater., Angew. Chem., Nanoscale等国际知名期刊审稿人。目前，他的研究领域包括胶体颗粒制备、组装及其动态调控，表面等离激元化学及其应用，光生长与光调控等。