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通过将传统的基于实验室的制造过程颠倒过来，研究人员极大地扩展了光操纵超表面的能力，同时也使它们更具有鲁棒性。这种组合可以使快速成熟的设备应用于更广泛的实际应用，例如在单次快门抓拍中捕捉宽光谱图像的相机。
相关研究结果发表在Nano Letters上。
等离子体技术本质上是一种通过金属表面，将光的能量捕捉在振荡的电子群中的技术。这会产生一个小而强大的电磁场，与入射光相互作用。
传统上，这些电子群——称为等离子体子——在金属纳米立方体表面被激发。通过控制纳米立方体的大小、彼此之间的间距以及下方的金属基底，可以调整该系统以吸收特定波长的光。
这些所谓的等离子体超表面由三层组成——一层金属基底，覆盖在纳米透明基底上，上面覆盖着银纳米立方体。虽然这种配置在实验室演示中效果很好，但几乎没有创造空间。由于纳米颗粒必须在金属表面以下几纳米范围内，限制了使用的形状。
为了避免这种对平整度的需求，Mikkelsen和她的团队决定尝试将每个纳米颗粒放入自己的凹坑或孔中。这将用金属包围纳米颗粒的整个下半部分，使能够容纳等离子体激元侧面以及底部。但由于制造公差极其严格，这说起来容易做起来很难。
“我们需要在厘米大小的晶圆表面上以单纳米精度控制某些尺寸，”杜克大学电气和计算机工程副教授ElizabethH.Barton说。“这就像控制足球场上草叶的厚度。”
为了应对这一挑战，Mikkelsen和她的实验室基本上颠覆了传统的制造工艺。他们不是从金属表面开始，在顶部放置一个薄的透明基底，然后是纳米立方体，而是从纳米立方体开始，用一个精确的薄间隔涂层覆盖，该涂层遵循底层形状，最后是一个金属涂层。它几乎就像一个倒置的菠萝蛋糕，其中的纳米立方体是菠萝，以焦糖覆盖和烤成薄底。
由于纳米立方体的不止一个表面现在可以捕获等离子体于间隙之间，Mikkelsen和她的同事可以用新的纳米粒子形状进行3实验。在这篇论文中，研究小组试验了实心球体和立方八面体（一种由八个三角形面和六个正方形面组成的形状）以及带有石英核的金属球体。
Mikkelsen说：“合成纳米颗粒可能很棘手，每种形状都有局限性。”。“通过能够使用几乎所有形状，我们真的开辟了许多新的可能性，包括探索各种金属。”
测试结果表明，新的制造方法不仅可以与以前使用银纳米立方体的方法相匹配或超越，还可以扩大使用这些不同形状和金属的频率范围。研究还表明，这些变化会改变纳米粒子在其表面捕捉能量的位置。再加上通过包裹纳米颗粒使整个设备耐受性强的额外优势，这项新技术可能会将该技术的应用扩展到驱动化学反应或热探测器。
然而，Mikkelsen的首要任务是将这种制造技术应用到她耗资750万美元的国防部项目中，以创建一种“超级摄像机”，该摄像机可以捕捉和处理广泛的光特性，如偏振、深度、相位、相干和入射角。
Mikkelsen说：“这里真正重要的是，由于我们使用完全无需光刻的制造技术，超表面可以非常便宜地覆盖大的宏观区域。”。“这意味着超表面可以与其他现有技术集成，也为新的等离子超表面应用创造了灵感。”
图：新型等离子体超表面制造过程示意图
[1] Jon W. Stewart, Tamra Nebabu, Maiken H. Mikkelsen. Control of Nanoscale Heat Generation with Lithography-Free metasurface Absorbers. Nano Letters, 2022; DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c00761
