納米材料新進展Advanced Materials：負泊松比納米拉脹電漿材料

具有負泊松比的拉脹材料在自然界中是比較罕見的，當材料被縱向拉伸時，垂直于拉應力方向會發生膨脹，而不是發生通常的收縮，優異的力學特性使其可應用于防爆盾及粒子濾波領域。

近年來，幾毫米到幾十微米孔徑大小的人造平面拉脹超材料已經有所進展。拉脹材料的制備過程由孔徑決定，孔徑不到100μm的拉脹材料可用顯微技術加工，孔徑不足10μm的拉脹材料可用激光刻蝕來實現，但是納米級別的拉脹材料由于其分辨率的限制以及孔結構的復雜性，無法使用這些技術，使得納米拉脹材料的制備倍顯困難。

近日，英國南安普頓大學光電子研究中心的Joao Valente等使用納米薄膜技術首次制備出了一種具有負泊松比的納米電漿材料，該材料同時具有中紅外納米光學上電漿超材料的光學優勢，還具有拉脹納米材料的力學優勢。以下是該文獻圖文解讀：

圖一 網狀納米線超材料的電鏡掃描圖片

圖一表示的是通過力學刺激實現的具有負泊松比的納米超材料結構，該超材料由氮化硅膜表面的金切割而成。顯微操縱器的尖端（100nm）作用于支撐梁上的超材料(左上角)。這樣的納米超材料在紅外光譜中表現出很強的電漿共振以及優異的拉脹力學性能。

圖二 (a-d)表示了不同尺寸維數的超材料孔單元的伸縮特征(a、b)7μm×5μm (c)1.8μm×1.2μm ? ? ? ? ? ? ?(d)900 nm×600 nm

圖二表示的是使用鎵聚焦離子束（30keV）法，將50nm氮化硅薄膜表面的60nm厚的金電漿層蒸鍍并沉積到蜂窩結構上，該結構y方向上由金覆蓋的氮化硅薄膜所固定，在x方向上則是一個彈性支撐梁，使超材料在г方向上發生拉脹，并在x方向上伸縮。實驗的應變控制在3%以內，當橫向拉伸時，軸向擴展；橫向擠壓時，軸向收縮。他們的泊松比滿足于：νnarrow = ?0.51 ± 0.06 、νwide = ?0.34 ± 0.09。

圖三 (a)孔結構單元 (b，c)x，y應力掃描電鏡圖像

當w << d時，這個孔結構單元的泊松比接近于-1，而當w ≈ d/4 和w ≈ d/2時，泊松比會降低。由一個簡單的矩形晶格單元電池材料衍射入射輻射的波長通常小于矩形單元的尺寸px和py。由于等離子體薄膜的存在，這種拉脹材料能體現出典型的超材料的電磁性能。金屬微納米結構的光學性質是由局部等離子體反應傳導電子的耦合振蕩和入射光引起的電磁近場所決定的。

圖四 ?單元尺寸900 nm×600 nm的納米拉脹材料模擬傳導（黑色）和反射（紅色）與光譜

納米拉脹材料在870 nm的波長處具有一個狹窄的共振吸收（反射最小），這對應于一個非對稱等離子體的激發，稱為“被困”模式。這些反對稱等離子體電流不能有效輻射，其輻射場在遠場抵消，因此電磁能量被拉脹材料“困住”，這導致大約50%的電漿共振的喪失。在波長為970 nm時，材料成為高反射，這是一個強散射電偶極子模式所造成的。與此相反，在1630 nm波長（標記為C）的反射幾乎完全消失，這是由于其納米結構的非共振激發反對稱所致。

圖五 ?拉脹材料導和反射光譜(a)窄線寬孔結構7μm×5μm ?(b-d)寬線寬孔結構（b）7μm× 5μm ? ? ? ? ? ? ? ? ?（c） 1.8μm×1.2μm，（d） 900 nm×600 nm

圖五表示所有拉脹材料中的衍射都具有相似的表面等離子體共振傳導和反射方式，這些共振光譜的強度取決于等離子體孔結構的尺寸和以及金的介電常數。納米拉脹材料所重構的太赫茲光子材料可調節納米超材料的光學各向異性。這種小型化驅動結構可調節速度，有望達到納米級千兆赫，與傳統的可重構結構相比，該拉脹材料有更高的機械性能，如抗疲勞、抗壓等。

總結：

具有負泊松比的納米電漿拉脹超材料具有機械和電磁超材料的復合性能。該材料具有拉脹效應（軸向拉伸時縱向膨脹），并且在中紅外光譜中能同時進行反射和傳導。

該成果近期發表在Advanced Materials上，文獻鏈接：Nano- and Micro-Auxetic Plasmonic Materials?（Advanced Materials, 2016, DOI: 10.1002/adma.201600088）

本文由材料人納米學術小組Bobby供稿，材料牛編輯整理。歡迎加入我們（報名請戳我）。

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