Ao virar um processo tradicional de fabricação baseado em laboratório de cabeça para baixo, pesquisadores da Duke University expandiram muito as habilidades de metasuperfícies de manipulação de luz, ao mesmo tempo em que as tornaram muito mais robustas contra os elementos.
A combinação pode permitir que esses dispositivos de maturação rápida sejam usados ​​em uma ampla gama de aplicações práticas, como câmeras que capturam imagens em um amplo espectro de luz em um único clique do obturador.

Os resultados aparecem on-line em 1º de julho na revista Nano Letters .

Plasmonics é uma tecnologia que essencialmente aprisiona a energia da luz em grupos de elétrons oscilando juntos em uma superfície metálica. Isso cria um campo eletromagnético pequeno, mas poderoso, que interage com a luz recebida.

Tradicionalmente, esses grupos de elétrons – chamados plasmons – são excitados nas superfícies de nanocubos metálicos. Ao controlar o tamanho dos nanocubos e seu espaçamento entre si, bem como a base de metal abaixo, o sistema pode ser ajustado para absorver comprimentos de onda específicos de luz.

Essas chamadas metasuperfícies plasmônicas consistem em três camadas – uma base metálica revestida em um substrato transparente nanométrico coberto com nanocubos de prata. Embora essa configuração tenha funcionado bem para demonstrações de laboratório, ela deixa pouco espaço para criatividade. Como uma área da nanopartícula deve estar dentro de alguns nanômetros da superfície do metal abaixo, os pesquisadores não puderam usar uma grande variedade de formas.

Para contornar essa necessidade de planicidade, Maiken Mikkelsen, professora associada James N. e Elizabeth H. Barton de Engenharia Elétrica e de Computação na Duke, e sua equipe decidiram tentar colocar cada nanopartícula em sua própria covinha ou poço. Isso envolveria todas as metades inferiores das nanopartículas com metal, permitindo que os lados hospedassem plasmons, bem como os fundos. Mas por causa de tolerâncias incrivelmente apertadas, isso é mais fácil dizer do que fazer.

"Precisamos controlar certas dimensões com precisão de um nanômetro sobre a superfície de um wafer do tamanho de um centímetro", disse Mikkelsen. "É como tentar controlar a espessura das lâminas de grama em um campo de futebol."

Para enfrentar esse desafio, Mikkelsen e seu laboratório basicamente viraram o processo de fabricação tradicional de cabeça para baixo. Em vez de começar com uma superfície de metal e colocar um substrato transparente fino no topo, seguido por nanocubos, eles começam com os nanocubos, que cobrem com um revestimento espaçador precisamente fino que segue a forma subjacente e terminam com um revestimento de metal. É quase como um bolo de abacaxi de cabeça para baixo, onde os nanocubos são os abacaxis que ficam cobertos de açúcar caramelizado e assados ​​em um fundo fino.

Como mais de uma superfície dos nanocubos agora pode prender plasmons entre as lacunas, Mikkelsen e seus colegas puderam experimentar em 3D novas formas de nanopartículas. No artigo, a equipe experimentou esferas sólidas e cuboctaedros – uma forma composta por oito faces triangulares e seis faces quadradas – bem como esferas de metal com núcleo de quartzo.

"Sintetizar nanopartículas pode ser complicado e há limitações para cada forma", disse Mikkelsen. "Ao poder usar quase todas as formas, realmente abrimos muitas novas possibilidades, incluindo explorar uma variedade de metais."

Os resultados dos testes mostraram que o novo método de fabricação não apenas pode igualar ou exceder as capacidades dos métodos anteriores usando nanocubos de prata, mas também pode expandir a faixa de frequências que são aproveitadas usando essas diferentes formas e metais. A pesquisa também revelou que essas variações mudam onde as nanopartículas capturam energia em suas superfícies. Combinado com o bônus adicional de essencialmente intemperizar todo o dispositivo envolvendo as nanopartículas, a nova técnica poderia expandir o uso da tecnologia na condução de reações químicas ou detectores térmicos.

A primeira prioridade de Mikkelsen, no entanto, é aplicar a técnica de fabricação em seu projeto para criar uma "super câmera" que possa capturar e processar uma ampla gama de propriedades da luz, como polarização, profundidade, fase, coerência e ângulo de incidência.

“O que é realmente significativo aqui é que grandes áreas macroscópicas podem ser cobertas pelas metasuperfícies de forma muito barata, pois usamos técnicas de fabricação totalmente livres de litografia”, disse Mikkelsen. "Isso significa que as metasuperfícies podem ser integradas com outras tecnologias existentes e também criar inspiração para novas aplicações de metasuperfícies plasmônicas". + Explorar mais

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