Born-Kuhn驱动的2.5D手性超材料

一、【导读】

采用阴影球光刻（SSL）技术制备了包含Born-Kuhn（BK）等离子体单元的2.5D手性超材料，形成三层旋转的Ag/SiO₂/Au纳米孔阵列。所得纳米结构表现出显著的手性光学活性，可实现高灵敏度的沙利度胺对映体无标记检测。采用二范数 （L2 norm）降维技术进行全谱信号处理，相比传统方法，可获得更优异的手性特征提取性能，显著提升对映选择性传感性能。这种可扩展且精确的方法显著推动了 BK 型手性超材料 （CMs）的进步，为超薄、高性能手性光子和传感器件提供了一个实用平台。

二、【成果掠影】

最近，重庆大学微电子与通信工程学院博士研究生陈心怡在艾斌研究员的指导下，发表了一篇题为《Born-Kuhn-Driven 2.5-Dimensional Chiral Metamaterials》的论文。该论文发表于Wiley的JCR一区期刊《Advanced Optical Materials》。该研究团队创新性地采用SSL技术制备了基于BK理论的2.5D手性超构材料，即三层旋转纳米孔阵列（3RHA），通过引入SiO₂介质层显著增强了手性光学响应和传感性能。所提出的2.5D结构突破了传统2D、3D、BK模型的局限性，兼具制备简易、低成本和高性能等优势。研究还通过L2 norm信号处理方法优化了手性异构体检测，显著提升了检测灵敏度。

三、【核心创新点】

采用SSL技术制备超薄2.5D BK手性超构材料（CMs），突破传统电子束光刻的限制，实现低成本、高精度的纳米级旋转堆栈（Ag/SiO₂/Au）对准。设计3RHA结构，通过等离激元共振增强手性光学响应，实现超高不对称因子（g = 0.6）和圆二色性与厚度比（CD/t = 67°/μm）。结合机器学习优化几何参数，精准调控光学性能，并通过实验验证，显著提升CMs的设计效率与性能上限。采用L2 norm信号处理方法，显著提升ΔΔλ特征提取能力，实现了对手性沙利度胺对映体的高灵敏度和高稳定性检测，为手性传感技术的实际应用提供了突破性解决方案。

四、【数据概览】

图1 a）3RHA设计和制造过程：紧密六方堆积的 PS 球经过刻蚀得到目标直径的微球阵列，以不同的入射角和方位角进行 Ag、SiO2 和 Au 的三次连续沉积，得到3RHA薄膜的逆时针和顺时针的镜像结构；b）2D、2.5D、3D CMs结构的类别示意图

图2 3RHA和RHA的比较分析：a）CD分布散点图，b）基于a）图参考线上下的数据点占比，c）基于Δθ对样本进行分类的总体金字塔图，d）最大响应结构的电场差异分布，e）最大垂直电场屏幕的超手性场C/|C₀|分布图

图3 实验制备3RHA的手性分析：a）SEM图（例尺为200 nm），插图为电场|∆E/E₀|分布，b）实验的CD和不对称g因子光谱，c）比较仿真和实验中3RHA与已有研究关于2D、3D、BK模型CMs的CD/t响应，d）手性对映异构体作用于结构、偏振器-CCD光谱仪系统检测、ΔΔλ和L2（ΔΔλ）两种光谱分析方法，e）LH-和RH-结构的CD光谱，f）对比LH-和RH-结构有和没有R-Thd时的CD谱图，g）R-Thd和S-Thd的ΔΔλ和L2（ΔΔλ）对比图

五、【作者信息】

第一作者为重庆大学微电子与通信工程学院陈心怡，通讯作者为重庆大学微电子与通信工程学院艾斌研究员。该研究得到了国家自然科学基金委和重庆市研究生科研创新项目的资助，并由重庆大学、杭州电子科技大学和吉林大学的研究人员共同完成，其中包括吉林大学张刚教授等参与工作研究。想了解更多关于这一研究的细节和实际应用潜力？请访问课题组https://www.ailabcqu.com/page112。让我们一同见证纳米科技的未来！本实验室专注于智能微纳传感系统，将人工智能和物联网技术与传统化学、物理和材料等学科结合，开发新型微纳制备技术、新型微纳光电子传感器和生物检测功能系统。

文章来源：原创

论文链接：https://doi.org/10.1002/adom.202501329

通信作者简介

艾斌，重庆大学“百人计划”特聘研究员，智能感知与多模态信息处理重庆市重点实验室副主任，重庆大学小米青年学者，博（硕）士生导师。于2011年获吉林大学化学学士学位。随后加入吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室张刚教授团队，于2016年获高分子化学和物理学博士学位。后分别在在佐治亚大学物理与天文学系和德克萨斯A&M大学航空航天工程系进行博士后研究。迄今已在包括Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Small、Chemistry of Materials及ACS Sensors在内的知名SCI期刊发表论文60余篇。五篇论文被选为封面文章，三篇文章成为月度或年度热点文章。相关工作被搜狐科技、Nanowerk等国内外媒体报道，并已获得9项中国发明专利授权。主持国家自然科学基金和重庆市自然科学基金等项目。是Advanced Materials、Advanced Functional Materials等知名期刊审稿人。担任国际期刊Discover Nano、AI+、International Journal of Smart and Nano Materials、Nanoscience & Nanotechnology-Asia和Advances in Materials编委。