Nano letters：用3D打印“搭橋”，讓材料與光更聰明地對話

背景介紹：

三維（3D）打印技術在光學材料和組件原型的快速制作方面展現出巨大潛力。然而，由于在納米尺度上難以定制內部結構，控制打印材料中的基本光學參數一直是一大挑戰。近日，亞利桑那州立大學（ASU）Sui Yang 課題組在《Nano Letters》上發表論文，展示了一種通過數字光處理（DLP）實現3D打印穿紉排列金納米片的方法，為解決這一難題提供了新思路。

本文亮點：

研究團隊成功展示了通過數字光處理 (DLP) 在打印介質中 3D 打印穿紉排列金納米片來控制打印材料中的基本光學參數。打印的納米片-樹脂 (PNR) 復合材料在納米片穿紉排列狀態之前和之后表現出明顯的固有光介電常數和光波矢 (k) 的調整。通過利用納米等離子體鏈耦合理論，團隊觀察到穿紉排列后，?PNR 中的 光波矢k 的等頻輪廓從球性變為橢圓形，并且其值顯著增強。這進一步導致羅丹明R6G分子在涂覆后自發輻射增強。

主要內容：

研究團隊首先設計了一種電場輔助的3D打印設備。該設備利用數字光處理（DLP）技術，包括光投影儀、電極以及打印控制平臺。在電場作用下，金納米片（AuNPs）可以在樹脂基體中進行穿紉排列與未排列。在排列狀態下，光學吸收從局域表面等離激元（LSPR）轉變為鏈式等離激元共振（CPRs），導致波矢k的色散關系從各向同性變為橢圓形，從而獲取更大的波矢，并在包覆R6G染料分子的情況下實現增強的自發發射。而且這一過程能夠動態調控打印材料的光學性能。

為了證實實驗設計，團隊對電場排列結構和未排列結果的PNR樣品進行了分析與光學表征。未排列的內部結構展現隨機的納米顆粒排布狀態，而排列后的內部結果呈現整體沿著電場方向排列的納米顆粒。光學吸收光譜顯示，未排列PNR只顯示出局域表面等離子共振，而排列結構的PNR的吸收光譜則同時顯示了局域和鏈式表面等離子共振。對應的介電函數譜測量顯示，未排列PNR在水平（H）與垂直方向（V）上具有重疊的實部與虛部介電常數；相比之下，排列的PNR在水平（H）與垂直方向（V）上則顯示出兩組分離的介電譜特性。進一步研究PNR的波矢色散關系證明未排列PNR的三維等頻面色散圖顯示其波矢k呈各向同性；而排列PNR在相同波長下的三維等頻面色散圖則表現出各向異性及增強的k值。計算顯示，排列PNR的k-空間總體積比未排列PNR大12%。進而使R6G在穿紉排列PNR上的空間熒光增強圖像對比R6G在未排列納米片-樹脂復合材料（PNR）上的空間熒光強度有顯著增強，且具備更高的發射速率。對應的空間熒光強度增強曲線和圖像也展示了在3D打印穿紉排列打印狀態下R6G具有高度均勻性的發射增強效果。

該工作由亞利桑那州立大學（ASU）Sui Yang 課題組完成，博士生Shuai Feng為論文第一作者，亞利桑那州立大學Xiang Li課題組合作參與了該項工作。博士生Tengteng Tang， JaeWoo Park， Abhishek Saji Kumar?為論文共同作者。

總結展望：

該研究展示了一種通過三維打印-穿紉排列策略調控材料光學參數的方法，實現了光學波矢（k）增強和自發發射提升。通過在電場作用下將金納米片（AuNPs）穿插于可光固化聚合物基體中（PNR），相比于未排列狀態，獲得了具有顯著差異的介電函數光譜，使排列PNR的等頻面從各向同性轉變為橢圓形，從而顯著增強了可訪問的波矢范圍。這種獨特的介電函數與波矢可調控性顯著加快了羅丹明（R6G）分子在排列PNR表面上的自發發射速率。進一步的熒光強度分布圖和光譜測量也驗證了樣品區域內發射強度的均勻增強。對波矢和發射特性的精細調控能力，對于光子學與光電器件（如發光二極管、激光器及傳感器）等應用至關重要。該打印-排列策略拓展了三維打印在調控打印材料基本光學參數方面的潛力，為實現具有可定制光學功能的器件系統開辟了新路徑。

文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.5c01192