三维纳米薄膜结构的离子束应变折叠构建方法及应用基础

Nanoscale three-dimensioanl nanostructures, except featuring high preformences, high integration density and capalble of 3D hybrid integration that 3D micro-scale devices persist, also have tunable and unique optical, electrical, mechnical and magnetic properties due to size effect, quantum effect and surface effect that can be controlled with the geometric structures as well as the sizes. In that, nanoscale 3D device could have many novel properties that conventional planar device could not achieve. In this project, ion beam will be used to introduce stain induced 3D deformation of two dimensional nano film structures, towards the achivement of new fafrication method for cheap, flexible, desingale, controllable constructure of suspended 3D film strucrues with complex geometry and scalable size. The related mechanism, trends, control model and application of the technique will be explored. Various types of nano film structures will be fabricated and the corresponding properties, including the optical, mechanical and thermal properties, will be investigated systematically in detials. In particular, devices as 3D film nanometamaterials and biosensors will be designed as typical demonstrations. The underlying physical properties as well as the thermal and mechanical properties will be study to explore the performace, funcionalities, relaibbility of the devices for quality optimization, to provide a new fabrication method experimentally and theoretically towards the realization of novel 3D plasmonic nanodevices with a broad range of potential applications, including biological, temperature and pressure sending in nanoscale region.

三维纳米器件既具有纳米材料所赋予的量子效应、尺寸效应与表面效应等新奇物性，又可通过几何结构实现电声子输运与耦合、自旋极化、激子行为、光传播等物性的协同调制。但怎样从结构入手,而不单依赖材料的本征性质得到所需的物理特性,极具创新性与挑战性,并具有全新的应用。本项目以二维薄膜为对象，通过离子束辐照诱导应变,构建新型三维纳米功能结构与器件。内容包括研究离子束诱导二维纳米薄膜产生三维形变的应变规律、机制与机理；针对不同材料体系，进行形变仿真、建模，掌握空间导向可设计的三维纳米薄膜结构的可控、高精度、大面积加工方法；研究所制备结构的机械、热力学与光学性质，优化形变调控手段；研究尺寸与几何结构对器件性能的协同调制作用；探索三维纳米器件所涉及的机械与热力学稳定性等基本问题，实现这一技术在新概念纳米光学与超灵敏光谱探测等器件研究领域的应用，为高性能新功能纳米器件研究奠定科学与技术基础。

三维纳米器件既具有纳米材料所赋予的量子效应、尺寸与表面效应等新奇物性，又可通过几何结构实现电声子输运与耦合、自旋极化、激子行为、光传播等物性的协同调制。本项目突破材料的本征性质限制，以二维薄膜为对象，通过离子束辐照诱导结构应变, 实现物性调制。内容包括研究离子束诱导二维纳米薄膜产生三维形变的应变规律、机制与机理；针对不同材料体系，研究形变的可控、高精度、大面积加工方法；研究所制备结构的机械、热力学与光学性质，优化形变调控手段；研究尺寸与几何结构对器件性能的协同调制作用。实现了这一技术在新概念纳米光学与超灵敏光谱探测等研究领域的应用。研究成果发表在Light: Science and Applications，Adv.Matt., Nano. Lett. ACS Photonics, APL 等国际刊物上。主要研究成果包括以下几方面： .1.研究了一种基于聚焦离子束应变诱导3D微纳米结构加工新方法，可以将一维或二维材料进行不同程度的多次有序折叠，实现纳米结构单元在空间、尺寸、周期与几何形貌可调制的大面积可控加工。.2.探索了加工方法在无线供能等新型光学器件中的应用，包括三维环栅纳米结构与器件，三维折叠超材料结构。.3.在三维纳米结构的物性研究方面取得突破，实现了高品质因子的3D环磁共振超材料，首次证明了表面等离激元诱导的环偶极共振，并观测到多个动态的环磁偶极共振响应，对理解凝聚态体系中的环形序有着重要的借鉴意义，将促进与环磁偶极矩有关的奇异物理研究。这一结构在超灵敏生物化学传感器传感器、窄带滤波器、光调制器、低阈值等离激元激光和非线性光学等领域具有广泛应用前景。.4.利用离子束应变诱导三维结构的加工技术，首次提出并制备了具有内禀手性特征的折叠超表面结构，实现了光自旋分辨和超高的圆二色性，解决了光自旋有效调控中的关键科学问题。这种具有深亚波长厚度的折叠超表面在红外波段的圆二色性值高于80%，是目前该类报道的最高值，在微型圆偏振器、自旋探测器、自旋光信息处理、手性光学成像和非线性光学等领域具有广泛应用前景。