超材料是具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料，它們在超快光調(diào)制、負(fù)折射率、倏逝波傳播、反常多普勒效應(yīng)、亞波長成像、隱身、全光通訊、手性識別、光子晶體等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價值。

    近日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所高俊華副研究員和曹鴻濤研究員團隊提出了金屬陶瓷超材料薄膜制備新方法。相關(guān)制備技術(shù)申請了國家發(fā)明專利，學(xué)術(shù)成果以“Template-free growth of well-ordered silver nano forest/ceramic metamaterial films with tunable optical responses”為題發(fā)表在《先進材料》（Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201605324） 上。

    1納米線陣列

    該方法采用傳統(tǒng)的射頻共濺射沉積工藝，輔以襯底偏壓，制備了定向排布Ag金屬納米線/氧化鋁陶瓷復(fù)合超材料薄膜，納米線間距（軸心到軸心）進入sub-5 nm區(qū)間， 陣列中納米線平均直徑約為3 nm；納米線長徑比可根據(jù)沉積時間來靈活調(diào)整；

    Figure 1. Cross-sectional TEM images for the single-layer Ag nanowire array embedded in alumina （a） and in silica matrix （b），Cross-sectional TEM images for silver nanoweires embedded in the ceramic matrix （c）。

    2多層納米線結(jié)構(gòu)

    Figure 2. The cross-section TEM image （d）， the corresponding HRTEM images （e,f） and the schematic diagram of the doule-layer sample DL-2.

    利用PVD鍍膜良好的擴展性，不僅能實現(xiàn)大面積超材料薄膜的制備，還能方便地以“蓋樓”的方式構(gòu)筑多層超材料薄膜結(jié)構(gòu)，其中不同層之間可以具有相同的幾何結(jié)構(gòu)特性，亦可以“個性化定制”各個層的結(jié)構(gòu)特性；此外，由于是在近似室溫下制備，故無需單晶或者導(dǎo)電襯底，甚至可以在PET等柔性襯底上制備，為柔性超材料這一新興概念提供了實物支撐。

    3光學(xué)瞬態(tài)性能

    研究人員從經(jīng)典熱力學(xué)、界面結(jié)合力、施加襯底偏壓后的沉積區(qū)域的濺射粒子動力學(xué)分析，輔以對比實驗和高分辨微結(jié)構(gòu)觀察，澄清了Ag金屬納米線/氧化鋁陶瓷復(fù)合超材料薄膜直接生長的物理化學(xué)機制。上述結(jié)構(gòu)各向異性超材料展現(xiàn)出了奇異的瞬態(tài)光學(xué)性能。該材料在可見光區(qū)展現(xiàn)出超快的非線性光學(xué)特性，等離激元漂白過程弛豫時間在1.5 皮秒左右。

    Figure 3. schematic illustrations showing the sputtering configuration of the apparatus （left side） and the formation mechanism of Ag nanowire array metamaterial （right side）。

    《Template-free growth of well-ordered silver nano forest/ceramic metamaterial films with tunable optical responses》文章摘要：

    Currently, the limitations of conventional methods for fabricating metamaterials composed of well-aligned nanoscale inclusions either lack the necessary freedom to tune the structural geometry or are difficult for large-area synthesis. In this Communication, the authors propose a fabrication route to create well-ordered silver nano forest/ceramic composite single-layer or multi-layer vertically stacked structures, as a distinctive approach to make large-area nanoscale meta-materials. To take advantage of direct growth, the authors fabricate single-layer nanocomposite films with a well-defined sub-5 nm interwire gap and an average nanowire diameter of ≈3 nm.

    該研究在生長機理和第一性原理計算方面與寧波材料所黃峰研究員、都時禹研究員有合作，在光學(xué)領(lǐng)域進跟哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理系宋瑛林教授行了深度的跨單位合作。該項工作得到國家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金、浙江省重點實驗室和寧波市科技創(chuàng)新團隊等項目的資助。

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