光子晶体是一种具有重复内部结构的材料，它们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的鲜艳彩色壳中找到自然界中的例子。尽管这些晶体是由透明材料制成的，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”，它可以阻挡来自各个方向的光。这种完全带隙可以精确控制光，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。

虽然一维和二维光子晶体已经用于各种应用，但由于需要在制造过程中实现对所有三维的纳米级精确控制，因此生产在可见光范围内具有完整光子带隙的三维光子晶体的秘密充满了挑战。

这一切都将改变。在《自然纳米技术》杂志发表的一项名为“在可见光谱范围内具有完整带隙的二氧化钛中打印3D光子晶体”的研究中，来自新加坡和中国各机构的研究人员取得了前所未有的成就。在新加坡科技设计大学(SUTD)教授JoelYang的带领下，该团队开发了一种革命性的方法，使用定制的钛树脂打印3D光子晶体。

与以往的尝试不同，这种新方法可以生成高分辨率、高折射率且在可见光范围内具有完整带隙的晶体。这项创新具有巨大的行业变革潜力。

“几十年来，研究人员一直在尝试生产完全阻挡可见光范围内光线的光子晶体。这些晶体将在精细的3D光流控制、单光子发射器的行为和量子信息处理方面具有潜在用途，”SUTD研究员、论文第一作者ZhangWang博士解释说。

SUTD团队利用材料科学、光学和制造技术等多个学科知识制造了3D光子晶体。为了打印晶体，该团队采用了双光子聚合光刻(TPL)，这是一种用于增材制造的技术。TPL打印中使用的市售树脂由折射率较低的有机材料制成。这意味着任何打印结构都不可能阻挡可见光的整个光谱。

而二氧化钛则是一种折射率极高的无机材料。事实上，二氧化钛(也称为二氧化钛)的光学特性已在其他领域得到应用。

杨教授说：“二氧化钛因其能散射光而具有美白特性，常见于牙膏、防晒霜等消费品以及自清洁表面。”

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。加热过程还会氧化晶体内的钛离子，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，晶体结构收缩了约六倍，收缩后其间距可小至180纳米。”间距是指打印晶体内不同层之间的距离;间距越小，分辨率越高。

在成功制造出分辨率极高的光子晶体后，该团队在这些3D结构中观察到了可见光范围内的完整光子带隙。这开辟了许多可能性：此类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可以修改打印晶体以用于特定目的，例如通过在结构内引入故意缺陷。

研究团队设想了除创建3D光子晶体之外的更广泛应用。这项利用钛树脂在可见光谱中实现完整光子带隙的3D打印技术的成功开发代表了光子学领域的重大突破。

张博士表示，该工艺有望成为一种多功能平台，用于在纳米尺度上制造各种材料(包括玻璃、陶瓷和金属)。随着研究人员尝试不同的材料和纳米结构配置，这种多功能性有望开辟新的探索途径。

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。它还体现了新加坡科技设计大学的使命，即利用多种学科对社会产生积极影响。”

更多信息：WangZhang等人，在可见光谱范围内具有完整带隙的二氧化钛中打印3D光