8月12日，校武《科學》子刊《科學進展》（Science Advances）在線刊登了我校材料科學系武利民教授課題組關于可見光超材料的利民最新研究成果：Three-dimensional all-dielectric metamaterial solid immersion lens for subwavelength imaging at visible frequencies (Sci. Adv. 2016, 2, e1600901, doi:10.1126/sciadv.1600901)。該研究設計開發了一種新的教授進展納米粒子組裝方法——納米固流體法，首次實現了將高折射率的團隊二氧化鈦納米粒子組裝成可工作于可見光波段的超材料光學器件。通過將15納米的光超銳鈦礦二氧化鈦納米粒子組裝成半球形和超半球形固體浸沒超透鏡(mSIL)，在常規的材料光學顯微鏡下實現了45納米的超分辨率顯微成像，大大的研究突破了光學顯微鏡的極限分辨率200納米，并揭示了二氧化鈦納米粒子間的得重近場耦合效應在該可見光超材料中的重要作用。美國Science Advances press package，校武德國Wissenschaft aktuell 新聞網以及Scientific American等多家國際學術媒體同期報道了該項成果。利民

超材料是教授進展一種具有特定亞波長結構的人造材料，其通常具有天然材料所不具備的團隊超常物理性質，如電磁隱身、光超負折射率、材料亞波長聚焦以及亞波長波導等。研究目前，絕大多數超材料采用金屬材料來制備，這些金屬超材料可較好地工作于微波和太赫茲波段。但在更高頻率的近紅外、特別是可見光波段，金屬會吸收過多的光線并造成顯著的能量損耗，從而限制了金屬超材料在近紅外和可見光波段的應用。因此，探索低損耗的非金屬超材料的制備與應用是近年來國際上超材料研究領域的熱點之一，具有重要的意義。

制備非金屬超材料的難點在于如何將具有高折射率、低吸收損耗的電介質材料加工成特定的亞波長結構。武利民教授團隊使用在可見光下具有高折射率且低吸收損耗的銳鈦礦二氧化鈦材料，提出了一種由下而上的自組裝方法來制備可見光超材料。該方法巧妙地利用了油水界面的特性，實現了將15納米的二氧化鈦粒子組裝成不同宏觀形態的超材料光學器件，如可實現超分辨率顯微成像的固體浸沒超透鏡。由于亞波長尺寸的二氧化鈦納米粒子間具有十分緊密的堆積，這些超透鏡在可見光下表現出高的有效折射率以及高度的透明性，因而，納米粒子間可產生局域電場增強效應。利用這一效應及二氧化鈦材料低吸收損耗的特性，遠場照明光可通過二氧化鈦納米粒子的間隙傳導至待觀察樣品表面，形成大面積的、亞波長尺寸的近場聚焦光斑；同時，超透鏡能夠高效的將樣品表面激發的近場消逝波轉變成遠場傳播波。進一步通過光學顯微鏡捕捉這些攜帶樣品精細細節信息的傳播波，便可實現超分辨率光學成像。

該研究提供了一種在納米尺度操縱可見光的途徑，未來將該組裝方法與納米印跡、微納流體等技術結合，有望制備出緊湊、低成本的超材料光學器件，應用于隱身、光子計算機、近場光學檢測及太陽能利用等領域。

該文章的第一作者為我校材料科學系的范聞博士（現為本校博士后），通訊作者為武利民教授和英國班戈大學王增波博士。研究工作得到了自然科學基金委、上海市科委重點基礎研究計劃、聚合物分子工程國家重點實驗室等的共同資助。

圖1. 由15納米二氧化鈦所組裝成的超半球mSIL的SEM圖像

圖2. mSIL對不同樣品表面納米圖案的超分辨率光學顯微成像

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