前所未有的壮举：打印完全阻挡光线的3D光子晶体

光子晶体是具有重复内部结构的材料，以独特的方式与光相互作用。我们可以在蛋白石和一些昆虫鲜艳的外壳中找到自然的例子。尽管这些晶体由透明材料制成，但它们表现出“光子带隙”，可以阻挡某些波长和方向的光

这种效应的一种特殊类型是“完全光子带隙”，它阻挡了来自各个方向的光。这种完全的带隙允许精确控制光，为电信、传感和量子技术的进步开辟了可能性。因此，科学家们一直在研究不同的方法来制造这些先进的光子晶体

尽管1D和2D光子晶体已被用于各种应用，但由于需要在制造过程中实现对所有三个维度的纳米级精确控制，揭开生产具有可见光范围内完整光子带隙的3D光子晶体的秘密一直充满着挑战

这一切都将改变。在《自然纳米技术》发表的一项研究中，“在二氧化钛中打印具有可见光谱全带隙的3D光子晶体”，新加坡和中国各机构的研究人员取得了前所未有的成就。在新加坡科技与设计大学（SUTD）的Joel Yang教授的带领下，该团队开发了一种使用定制钛树脂打印3D光子晶体的革命性方法

与之前的尝试不同，这种新方法产生了高分辨率、高折射率、在可见光范围内具有完全带隙的晶体。这项创新具有巨大的产业转型潜力

“几十年来，研究人员一直在努力生产完全阻挡可见光的光子晶体。这些晶体将在光流的精细3D控制、单光子发射器的行为和量子信息处理方面具有潜在的用途，”SUTD研究员、该论文的第一作者张旺博士解释道

SUTD团队利用材料科学、光学和制造技术等多个学科制造了他们的3D光子晶体。为了打印晶体，该团队转向了双光子聚合光刻（TPL），这是一种用于增材制造的技术。用于TPL打印的商用树脂由低折射率的有机材料制成。这意味着任何印刷结构都不可能阻挡整个可见光光谱

另一方面，二氧化钛是一种折射率非常高的无机材料。事实上，二氧化钛，也称为二氧化钛，因其光学特性已在其他领域得到开发

杨教授说：“由于二氧化钛颗粒的光散射，它具有美白特性，在牙膏和防晒霜等常见消费品以及自清洁表面中都有发现。”

该团队首先开发了一种定制的钛树脂，然后使用标准TPL打印光子晶体，然后在空气中加热以去除晶体中的有机成分。加热过程还氧化了晶体中的钛离子，将离子转化为二氧化钛，即二氧化钛

张博士说：“在加热过程中，晶体的结构收缩了大约六倍，收缩后其间距可以小至180纳米。”。间距是指印刷晶体内不同层之间的距离；间距越小，分辨率越高

在成功制造出高分辨率的光子晶体后，该团队在这些3D结构中观察到可见光范围内的完整光子带隙。这开辟了许多可能性：这种结构可用于颜色生成和波导等应用。此外，TPL固有的可定制性意味着印刷晶体可以根据特定目的进行修改，例如在结构中引入故意缺陷

研究小组设想了3D光子晶体之外的更广泛应用。这种3D打印技术的成功开发，利用钛树脂在可见光谱中实现了完整的光子带隙，代表了光子学领域的重大突破

据张博士介绍，该工艺有望成为一个多功能平台，用于在纳米级制造各种材料，包括玻璃、陶瓷和金属。随着研究人员对不同材料和纳米结构配置进行实验，这种多功能性有望创造新的探索途径

杨教授补充道：“这项合作研究突破了材料科学和纳米制造工艺设计和技术的界限。”。“这也反映了SUTD的使命，即利用多个学科对社会产生积极影响。”