超材料是具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料，它們在超快光調制、負折射率、倏逝波傳播、反常多普勒效應、亞波長成像、隱身、全光通訊、手性識別、光子晶體等領域具有重大應用價值。

    近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所高俊華副研究員和曹鴻濤研究員團隊提出了金屬陶瓷超材料薄膜制備新方法。相關制備技術申請了國家發明專利，學術成果以“Template-free growth of well-ordered silver nano forest/ceramic metamaterial films with tunable optical responses”為題發表在《先進材料》（Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201605324） 上。

    1納米線陣列

    該方法采用傳統的射頻共濺射沉積工藝，輔以襯底偏壓，制備了定向排布Ag金屬納米線/氧化鋁陶瓷復合超材料薄膜，納米線間距（軸心到軸心）進入sub-5 nm區間， 陣列中納米線平均直徑約為3 nm；納米線長徑比可根據沉積時間來靈活調整；

    Figure 1. Cross-sectional TEM images for the single-layer Ag nanowire array embedded in alumina （a） and in silica matrix （b），Cross-sectional TEM images for silver nanoweires embedded in the ceramic matrix （c）。

    2多層納米線結構

    Figure 2. The cross-section TEM image （d）， the corresponding HRTEM images （e,f） and the schematic diagram of the doule-layer sample DL-2.

    利用PVD鍍膜良好的擴展性，不僅能實現大面積超材料薄膜的制備，還能方便地以“蓋樓”的方式構筑多層超材料薄膜結構，其中不同層之間可以具有相同的幾何結構特性，亦可以“個性化定制”各個層的結構特性；此外，由于是在近似室溫下制備，故無需單晶或者導電襯底，甚至可以在PET等柔性襯底上制備，為柔性超材料這一新興概念提供了實物支撐。

    3光學瞬態性能

    研究人員從經典熱力學、界面結合力、施加襯底偏壓后的沉積區域的濺射粒子動力學分析，輔以對比實驗和高分辨微結構觀察，澄清了Ag金屬納米線/氧化鋁陶瓷復合超材料薄膜直接生長的物理化學機制。上述結構各向異性超材料展現出了奇異的瞬態光學性能。該材料在可見光區展現出超快的非線性光學特性，等離激元漂白過程弛豫時間在1.5 皮秒左右。

    Figure 3. schematic illustrations showing the sputtering configuration of the apparatus （left side） and the formation mechanism of Ag nanowire array metamaterial （right side）。

    《Template-free growth of well-ordered silver nano forest/ceramic metamaterial films with tunable optical responses》文章摘要：

    Currently, the limitations of conventional methods for fabricating metamaterials composed of well-aligned nanoscale inclusions either lack the necessary freedom to tune the structural geometry or are difficult for large-area synthesis. In this Communication, the authors propose a fabrication route to create well-ordered silver nano forest/ceramic composite single-layer or multi-layer vertically stacked structures, as a distinctive approach to make large-area nanoscale meta-materials. To take advantage of direct growth, the authors fabricate single-layer nanocomposite films with a well-defined sub-5 nm interwire gap and an average nanowire diameter of ≈3 nm.

    該研究在生長機理和第一性原理計算方面與寧波材料所黃峰研究員、都時禹研究員有合作，在光學領域進跟哈爾濱工業大學物理系宋瑛林教授行了深度的跨單位合作。該項工作得到國家自然科學基金、浙江省自然科學基金、浙江省重點實驗室和寧波市科技創新團隊等項目的資助。

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責任編輯：王元

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