基于无序结构的可见光波段超材料吸收体静电自组装制备技术研究

Effectively reducing the difficult manufacturing, lowering the cost and improving the production scale are of much significant for the study of construction and application of metamaterial absorbers (MAs) in the high-frequency visible range. In this project, MAs with disordered structures and broadband optical absorption properties in the visible range will be designed and fabricated by a bottom-up electrostatic self-assembly strategy. The controllable synthesized high-index faceted icosidodecahedral gold nanoparticles (Au NPs) act as the metal components. The desired MAs with ‘disordered Au NP arrays/SiO2 dielectric layer/Au superlattice layer’ structures will be prepared through electrostatically layer-by-layer assembly of the icosidodecahedral Au NPs and SiO2 dielectrics. The coupling plasmon between the Au NPs and the Au superlattice from the self-assembled MAs will be systematically investigated. The corresponding broad-band optical absorption properties will be explored in some detail. Meanwhile, the underlying physical mechanism will be analyzed and discussed. We expect to fabricate the disordered MAs with almost perfect absorption on a wide wave band in the visible range by further tune the experimental parameters. This project provides with theoretical and practical significance for the construction of MAs in the visible range by developing an effective disordered structure and the stable self-assembly method.

有效降低加工制造难度、减少成本、提升合成规模，对于研究高频可见光波段的超材料吸收体制备及应用具有重要意义。本项目提出以Bottom-Up静电自组装技术为基础，开展可见光波段具有无序结构的超材料吸收体制备及其宽频带光吸收特性研究。拟将可控合成的一类高晶面三十二面体Au纳米颗粒作为金属元，通过静电自组装方式将其与二氧化硅介质元层层复合制备“Au NPs无序层/SiO2介质层/Au纳米超晶格层”的无序结构超材料吸收体。系统研究此类自组装超材料吸收体中来自于上层无序分布的Au NPs结构与底层Au纳米超晶格之间所产生的等离激元强耦合作用及与可见光波段宽频带高吸收的光学特性关系，阐明其内在物理本质，并进一步探索具有宽带近完美吸收性质的无序结构超材料吸收体优化制备。本项目的实施，对于开发高效的无序结构以及稳定的自组装方法研究制备可见光波段超材料吸收体具有重要的理论和实际意义。

实现对光或电磁波的有效吸收调控是现代光学基础与应用研究的重要目标之一，超材料吸收体作为一种由亚波长尺寸人工结构组成的光学超材料，其在相关研究领域备受人们关注。近年来，伴随着超材料吸收体的研究波段拓展至高频可见光甚至是紫外光波段，其加工制造难、成本高及合成规模有限等问题日益凸显。本项目提出以自下而上（Bottom-Up）静电自组装技术作为基本手段，创新性地开展了可见光波段具有无序结构的多种超材料吸收体制备及其光吸收性能调控研究：.1）探索了特定形态Au、SiO2纳米结构可控合成及其等离子体光学性质研究。讨论了具有不同晶型/不同带电属性Au、SiO2纳米结构的优化制备工艺，分析了其在静电自组装设计可见光波段超材料吸收体中的可行性；.2）基于静电自组装技术，将低晶面Au纳米八面体无序取向密排于金属Al-电介质SiO2膜系表面设计、制备研究了一种可见光波段的无序结构超材料吸收体（具有“Au纳米颗粒无序层/介质层/金属反射层”结构），讨论了所制备超材料吸收体的宽带高吸收光学特性调控及其内在物理机制；.3）将核壳Au@SiO2纳米结构作为“超原子”，探索了具有层层无序结构的超材料吸收体（无序取向的Au@SiO2“超原子”多层密排于Al反射层表面）静电自组装制备及其可见光波段光吸收性能调控。研究了不同入射光偏振、角度及自组装工艺参数对于此类无序结构超材料吸收体近完美光吸收特性的影响，分析了其内在的关键作用机制；.4）选取高晶面Au纳米三十二面体为功能结构单元，通过静电自组装技术将其以无序取向、适宜覆盖率方式附着于Au反射层上，研究了一种可见光波段的全金属无序结构超材料吸收体，讨论了此类自组装超材料吸收体的宽带近完美吸收光学特性，阐明了其内在作用机理。.本项目在探索经济且高效的方法设计、制备研究可见光波段超材料吸收体，深入理解自组装无序结构超材料吸收体的光吸收物理机制以及进一步推进超材料吸收体实际应用发展等方面，具有重要意义。