Born-Kuhn驅動的2.5D手性超材料

一、【導讀】

采用陰影球光刻（SSL）技術制備了包含Born-Kuhn（BK）等離子體單元的2.5D手性超材料，形成三層旋轉的Ag/SiO₂/Au納米孔陣列。所得納米結構表現出顯著的手性光學活性，可實現高靈敏度的沙利度胺對映體無標記檢測。采用二范數?（L2 norm）降維技術進行全譜信號處理，相比傳統方法，可獲得更優異的手性特征提取性能，顯著提升對映選擇性傳感性能。這種可擴展且精確的方法顯著推動了 BK 型手性超材料 （CMs）的進步，為超薄、高性能手性光子和傳感器件提供了一個實用平臺。

二、【成果掠影】

最近，重慶大學微電子與通信工程學院博士研究生陳心怡在艾斌研究員的指導下，發表了一篇題為《Born-Kuhn-Driven 2.5-Dimensional Chiral Metamaterials》的論文。該論文發表于Wiley的JCR一區期刊《Advanced Optical Materials》。該研究團隊創新性地采用SSL技術制備了基于BK理論的2.5D手性超構材料，即三層旋轉納米孔陣列（3RHA），通過引入SiO₂介質層顯著增強了手性光學響應和傳感性能。所提出的2.5D結構突破了傳統2D、3D、BK模型的局限性，兼具制備簡易、低成本和高性能等優勢。研究還通過L2 norm信號處理方法優化了手性異構體檢測，顯著提升了檢測靈敏度。

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三、【核心創新點】

采用SSL技術制備超薄2.5D BK手性超構材料（CMs），突破傳統電子束光刻的限制，實現低成本、高精度的納米級旋轉堆棧（Ag/SiO₂/Au）對準。設計3RHA結構，通過等離激元共振增強手性光學響應，實現超高不對稱因子（g?= 0.6）和圓二色性與厚度比（CD/t = 67°/μm）。結合機器學習優化幾何參數，精準調控光學性能，并通過實驗驗證，顯著提升CMs的設計效率與性能上限。采用L2 norm信號處理方法，顯著提升ΔΔλ特征提取能力，實現了對手性沙利度胺對映體的高靈敏度和高穩定性檢測，為手性傳感技術的實際應用提供了突破性解決方案。

四、【數據概覽】

圖1 a）3RHA設計和制造過程：緊密六方堆積的?PS 球經過刻蝕得到目標直徑的微球陣列，以不同的入射角和方位角進行 Ag、SiO2 和 Au 的三次連續沉積，得到3RHA薄膜的逆時針和順時針的鏡像結構；b）2D、2.5D、3D CMs結構的類別示意圖

圖2 3RHA和RHA的比較分析：a）CD分布散點圖，b）基于a）圖參考線上下的數據點占比，c）基于Δθ對樣本進行分類的總體金字塔圖，d）最大響應結構的電場差異分布，e）最大垂直電場屏幕的超手性場C/|C₀|分布圖

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圖3 實驗制備3RHA的手性分析：a）SEM圖（例尺為200 nm），插圖為電場|?E/E₀|分布，b）實驗的CD和不對稱g因子光譜，c）比較仿真和實驗中3RHA與已有研究關于2D、3D、BK模型CMs的CD/t響應，d）手性對映異構體作用于結構、偏振器-CCD光譜儀系統檢測、ΔΔλ和L2（ΔΔλ）兩種光譜分析方法，e）LH-和RH-結構的CD光譜，f）對比LH-和RH-結構有和沒有R-Thd時的CD譜圖，g）R-Thd和S-Thd的ΔΔλ和L2（ΔΔλ）對比圖

五、【作者信息】

第一作者為重慶大學微電子與通信工程學院陳心怡，通訊作者為重慶大學微電子與通信工程學院艾斌研究員。該研究得到了國家自然科學基金委和重慶市研究生科研創新項目的資助，并由重慶大學、杭州電子科技大學和吉林大學的研究人員共同完成，其中包括吉林大學張剛教授等參與工作研究。想了解更多關于這一研究的細節和實際應用潛力？請訪問課題組https://www.ailabcqu.com/page112。讓我們一同見證納米科技的未來！本實驗室專注于智能微納傳感系統，將人工智能和物聯網技術與傳統化學、物理和材料等學科結合，開發新型微納制備技術、新型微納光電子傳感器和生物檢測功能系統。

文章來源：原創

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adom.202501329

通信作者簡介

艾斌，重慶大學“百人計劃”特聘研究員，智能感知與多模態信息處理重慶市重點實驗室副主任，重慶大學小米青年學者，博（碩）士生導師。于2011年獲吉林大學化學學士學位。隨后加入吉林大學超分子結構與材料國家重點實驗室張剛教授團隊，于2016年獲高分子化學和物理學博士學位。后分別在在佐治亞大學物理與天文學系和德克薩斯A&M大學航空航天工程系進行博士后研究。迄今已在包括Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Small、Chemistry of Materials及ACS Sensors在內的知名SCI期刊發表論文60余篇。五篇論文被選為封面文章，三篇文章成為月度或年度熱點文章。相關工作被搜狐科技、Nanowerk等國內外媒體報道，并已獲得9項中國發明專利授權。主持國家自然科學基金和重慶市自然科學基金等項目。是Advanced Materials、Advanced Functional Materials等知名期刊審稿人。擔任國際期刊Discover Nano、AI+、International Journal of Smart and Nano Materials、Nanoscience & Nanotechnology-Asia和Advances in Materials編委。