在国家重点研发计划“纳米科技”重点专项项目“应变诱导大面积纳米结构的可控加工方法及应用基础研究”支持下,中国科学院物理研究所顾长志团队发明了一种基于聚焦离子束的应变诱导3D微纳米结构加工新方法,可以将一维和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,获得具有高构型自由度的3D光学超材料。
项目组通过开展基于离子束与激光应变诱导纳米结构的新型加工原理、方法与技术研究,将这种折叠式3D结构的材料从金属纳米线和纳米薄膜扩展到金属/介质复合结构,以透明SiNx薄膜为骨架,利用聚焦离子束应变诱导折叠加工工艺,将微米尺寸的金属开口谐振环结构在3D空间以不同的开口方向和空间位置进行组合,获得具有高构型自由度的3D光学超材料。这种材料在垂直方向入射光的激发下,金属谐振环产生LC共振,因不同开口方向谐振环的共振模式发生耦合,形成环磁偶极共振。该环磁共振位于中红外波段,且品质因子高达20.78,是在光频波段已有报导的最高值。项目组进一步利用斜入射的TM波对材料进行激发,在75°入射角时环磁偶极辐射强度超过电偶极和磁偶极,同时保持较高的品质因子。研究结果证明了利用折叠式3D结构实现高品质因子环磁偶极共振的可能性,显示出在高性能传感和等离激元激光等领域的广泛应用前景。该研究结果作为封面发表在Advanced Materials 29, 1606298 (2017)上。
此外,项目组利用应变诱导原理,在氧化铋薄膜上加工出了边界锐利、边壁陡峭、齐整的窄缝,缝宽可小于10纳米,这是目前的传统电子束加工难以实现的。这种宽度可控的窄缝在信息、能源和生物等领域都有重要应用前景。项目组利用生产出的8.2纳米窄缝与人合作制作了无短沟道效应的场效应晶体管。