3D Hierarchical Chiral Plasmonic Wavy Patterns with Visible to Short-wave Infrared Chiroptical Responses

Abstract

Structural chirality for nano and micro sized materials has attracted great attention due to their chiroptical properties with various optical ranges from visible to near IR. Delicate control of 3D structures in such small scales has required use of bio-derived materials or advanced lithography processes, which, however, have limits for large area and low cost productions. Here we introduce a facile synthetic route for 3D hierarchical chiral plasmonic wavy patterns with angled alignments of two different scales of wrinkled structures. This method does not need any bio-derived materials and complicated lithography processes. Polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer films are utilized for substrates to fabricate silica hard layers on the top surfaces by using UV/Ozone and O2 plasma treatments under stretching conditions to produce regularly aligned micro and nano-wrinkled patterns, respectively. Aligned direction between micro and nanowrinkles are controlled by change of uniaxial strain directions. Molding process is adapted for the preparation of stretchable microwrinkle patterns. The inclined angle deposition of gold thin layers is utilized for selective depositions of plasmonic line patterns sculpting 3D topology of the chiral wavy pattern. Collective coupling of plasmonic responses presents chiroptical responses in a broad range from visible to near IR region. Especially, circular dichroism signals at near IR region show particularly high g-factor of ~ 0.2, the highest among recent studies. This method is straightforward and suitable for large area production of nanocomplex material with low cost that are advantageous for advanced optical and sensing applications|나노와 마이크로 사이즈의 소재는 가시광선부터 IR 부근까지 다양한 광학 범위를 가진 카이럴 광학 특성으로 큰 주목을 받았다. 이처럼 작은 스케일로 3D 구조를 정교하게 제어하기 위해 기존에는 바이오 유래 물질이나 고가의 첨단 리소그래피 공정을 사용했다. 하지만 다양한 활용을 유해서는 경제적으로 대 규모 생산을 위한 합성법이 필요하다. 본 연구에서는 바이오 유래 물질이나 복잡한 리소그래피 공정 대신에, 두 스케일의 미세 주름을 엇갈리게 정렬하여 3D 계층적 카이랄 플라즈모닉 주름 패턴을 합성하는 간단한 방법을 소개하고자 한다. 규칙적으로 정렬된 마이크로 및 나노 주름 패턴을 만들기 위해, PDMS(Polydimethylsiloxane) 탄성체 필름 기판에 각각 UV/Ozone, O2 플라스마 처리하였고, 상면에 딱딱한 실리카 레이어가 생기도록 유도하였다. 마이크로 주름과 나노 주름 간의 정렬은 단일 축 연신 방향을 바꿈으로써 제어된다. 성형 틀 공정은 신축성 마이크로 주름 패턴의 준비에 적합하다. 금 박막 층을 증착 시에는 카이랄 주름 패턴의 3D 토폴로지가 돋보이게 하기 위해 본 샘플을 기울여 선택적으로 플라즈모닉 라인 패턴에 증착되도록 하였다. 플라스모닉 반응의 집단적 진동은 가시적 영역부터 IR 영역까지 광범위한 범위에서 카이랄 광학적 반응을 나타낸다. 이 방법은 간단하며 저렴한 비용으로 대규모 생산이 가능하므로, 첨단 광학 및 감지 등에 응용이 기대된다.