背景介绍：

三维（3D）打印技术在光学材料和组件原型的快速制作方面展现出巨大潜力。然而，由于在纳米尺度上难以定制内部结构，控制打印材料中的基本光学参数一直是一大挑战。近日，亚利桑那州立大学（ASU）Sui Yang 课题组在《Nano Letters》上发表论文，展示了一种通过数字光处理（DLP）实现3D打印穿纫排列金纳米片的方法，为解决这一难题提供了新思路。

本文亮点：

研究团队成功展示了通过数字光处理 (DLP) 在打印介质中 3D 打印穿纫排列金纳米片来控制打印材料中的基本光学参数。打印的纳米片-树脂 (PNR) 复合材料在纳米片穿纫排列状态之前和之后表现出明显的固有光介电常数和光波矢 (k) 的调整。通过利用纳米等离子体链耦合理论，团队观察到穿纫排列后， PNR 中的 光波矢k 的等频轮廓从球性变为椭圆形，并且其值显著增强。这进一步导致罗丹明R6G分子在涂覆后自发辐射增强。

主要内容：

研究团队首先设计了一种电场辅助的3D打印设备。该设备利用数字光处理（DLP）技术，包括光投影仪、电极以及打印控制平台。在电场作用下，金纳米片（AuNPs）可以在树脂基体中进行穿纫排列与未排列。在排列状态下，光学吸收从局域表面等离激元（LSPR）转变为链式等离激元共振（CPRs），导致波矢k的色散关系从各向同性变为椭圆形，从而获取更大的波矢，并在包覆R6G染料分子的情况下实现增强的自发发射。而且这一过程能够动态调控打印材料的光学性能。

为了证实实验设计，团队对电场排列结构和未排列结果的PNR样品进行了分析与光学表征。未排列的内部结构展现随机的纳米颗粒排布状态，而排列后的内部结果呈现整体沿着电场方向排列的纳米颗粒。光学吸收光谱显示，未排列PNR只显示出局域表面等离子共振，而排列结构的PNR的吸收光谱则同时显示了局域和链式表面等离子共振。对应的介电函数谱测量显示，未排列PNR在水平（H）与垂直方向（V）上具有重叠的实部与虚部介电常数；相比之下，排列的PNR在水平（H）与垂直方向（V）上则显示出两组分离的介电谱特性。进一步研究PNR的波矢色散关系证明未排列PNR的三维等频面色散图显示其波矢k呈各向同性；而排列PNR在相同波长下的三维等频面色散图则表现出各向异性及增强的k值。计算显示，排列PNR的k-空间总体积比未排列PNR大12%。进而使R6G在穿纫排列PNR上的空间荧光增强图像对比R6G在未排列纳米片-树脂复合材料（PNR）上的空间荧光强度有显著增强，且具备更高的发射速率。对应的空间荧光强度增强曲线和图像也展示了在3D打印穿纫排列打印状态下R6G具有高度均匀性的发射增强效果。

该工作由亚利桑那州立大学（ASU）Sui Yang 课题组完成，博士生Shuai Feng为论文第一作者，亚利桑那州立大学Xiang Li课题组合作参与了该项工作。博士生Tengteng Tang， JaeWoo Park， Abhishek Saji Kumar 为论文共同作者。

总结展望：

该研究展示了一种通过三维打印-穿纫排列策略调控材料光学参数的方法，实现了光学波矢（k）增强和自发发射提升。通过在电场作用下将金纳米片（AuNPs）穿插于可光固化聚合物基体中（PNR），相比于未排列状态，获得了具有显著差异的介电函数光谱，使排列PNR的等频面从各向同性转变为椭圆形，从而显著增强了可访问的波矢范围。这种独特的介电函数与波矢可调控性显著加快了罗丹明（R6G）分子在排列PNR表面上的自发发射速率。进一步的荧光强度分布图和光谱测量也验证了样品区域内发射强度的均匀增强。对波矢和发射特性的精细调控能力，对于光子学与光电器件（如发光二极管、激光器及传感器）等应用至关重要。该打印-排列策略拓展了三维打印在调控打印材料基本光学参数方面的潜力，为实现具有可定制光学功能的器件系统开辟了新路径。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.5c01192