Физики из США и Китая разработали новый метод получения хиральных оптических наноустройств из золотой фольги с помощью техники нанокиригами. Для этого ученые предложили использовать фокусируемый ионный пучок, с помощью которого в фольге сначала делаются разрезы определенной формы, а потом участки поверхности загибаются в нужную сторону. Такой метод прост в реализации и позволяет получать материалы, значительно превосходящими по хиральным свойствам аналогичные двумерные метаматериалы, пишут исследователи в статье, опубликованной в Science Advances.

Наноаналоги японских техник оригами и киригами, с помощью которых можно из плоского листа бумаги складывать фигурки нужной формы, ученые все чаще предлагают использовать для получения материалов с заданными формой и физическими свойствами. В случае нанооригами превращение двумерной структуры в трехмерную происходит только за счет складывания тонкой пленки материала по определенным линиям в нужной последовательности, а при использовании нанокиригами перед складыванием в этих нанослоях делаются разрезы. Класс материалов, которые можно обрабатывать с помощью такого подхода, довольно широк: это могут быть пленки кремния, металлов или полимеров. Как правило, с помощью нанокиригами получают материалы с необычными механическими или акустическими свойствами, которые способны растягиваться в несколько раз или особым образом отражать звуковые волны.

Группа физиков из Китая и США под руководством Чжигуана Лю (Zhiguang Liu) из Физического института Китайской академии наук предложила использовать технику нанокиригами для создания хиральных оптических метаповерхностей. Чтобы получить необходимую хиральную структуру, сначала ученые делали на золотой фольге толщиной 80 нанометров надрезы длиной в несколько микрометров с помощью мощного фокусируемого ионного пучка. После этого за счет облучения таким же ионным пучком меньшей мощности, но уже всей поверхности, в пленке создавалось неоднородное поле напряжений, которое изгибало ее отдельные части и придавало нужную форму.

Результаты эксперимента и моделирования показали, что при таком облучении поверхность вблизи надрезов будет изгибаться вверх, то есть навстречу пучку ионов. Такие изгибы становятся возможными из-за неоднородной по толщине механической реакции золотой фольги на облучение ионами: если в наружном аморфном слое происходит полностью пластическая деформация, то в более глубоких поликристаллических слоях деформация имеет упруго-пластическую природу. В результате нижний слой расширяется чуть больше, чем верхний, и при наличии надреза вся пленка загибается вверх.

Киригами-структуры, сделанные из листа бумаги (сверху) и золотой фольги толщиной 80 нанометров (снизу). Масштабная линейка черного цвета — 1 микрометр. Z. Liu et al./ Science Advances, 2018

Киригами-структуры, сделанные из листа бумаги (слева) и золотой фольги толщиной 80 нанометров. Масштабная линейка черного цвета — 1 микрометр. Z. Liu et al./ Science Advances, 2018

Авторы работы отмечают, что предложенный ими подход для нанокиригами с двухстадийным облучением ионами значительно проще для реализации, чем те методы, которые использовались для сгибания тонких пленок для нанокиригами ранее — варьирование температуры, использование капиллярных сил или изменении объема системы. Кроме того, такой подход позволяет значительно точнее контролировать конечную форму материала.

Оказалось, что, если с помощью этого метода делать на поверхности спиральные вырезы, то образовавшиеся структуры можно использовать для создания оптических наноустройств, которые по-разному взаимодействуют с лево- и правополяризованным светом. Массив таких структур можно использовать в качестве хиральной оптической метаповерхности, которая обладает, например, свойствами поляризационного фильтра, избирательно пропуская только свет одного типа поляризации.

Микрофотографии хиральных нанокиригами-структур с периодом 1,45 микрометра. Масштабная линейка — 1 микрометр. Z. Liu et al./ Science Advances, 2018

Оптические измерения показали, что полученная спиральная структура, сделанная с помощью трех надрезов на золотой фольге, обладает выраженным круговым дихроизмом для длин волн от 1 до 2 микрометров. При этом при увеличении длины волны увеличивался и угол поворота плоскости поляризации (например, при длине волны 1,7 микрометра плоскость поляризации поворачивается на 90 градусов а при длине волны 1,95 микрометра — на 135 градуса. Полученные зависимости хорошо описываются теоретической моделью. В качестве образца сравнения ученые использовали двумерную конфигурацию той же системы, в которой сделаны вырезы, но не произведены изгибы. Для них никаких хиральных оптических эффектов обнаружено не было.

Сверху изображена схема взаимодействия хиральных наноструктур с электрической и магнитной компонентами излучения. Снизу — модель и микрофотографии массива нанокиригами-структур с хиральными оптическими свойствами. Масштабная линейка — 1 микрометр. Z. Liu et al./ Science Advances, 2018

Исследователи отмечают, что полученные поверхности можно использовать для анализа оптических свойств хиральных молекул в ближней инфракрасной области. При этом по словам авторов работы, предложенный метод можно использовать не только для разработки фотонных устройств, но и для создания материалов с необычными механическими или акустическими свойствами.

Стоит отметить, что значительно чаще технику нанокиригами предлагают использовать именно для получения микро- и наноматериалов, способных растягиваться при внешнем воздействии. Например, таким образом были получены аккумуляторы, которые могут без потери свойств растягиваться в полтора раза. А длину проводящих полимеров можно с использованием такой техники увеличивать без уменьшения проводимости в двадцать раз.

Автор: Александр Дубов