雙磁共振硅界面: 光學超表面工業應用困局的突破

【引言】

2015年5月，國務院正式頒布《中國制造2025》國家戰略發展行動綱領。綱領指出：新一代信息技術與制造業深度融合，正在引發影響深遠的產業變革，形成新的生產方式、產業形態、商業模式和經濟增長點。作為新一代信息技術重要基礎的光電子技術，到2020年相關產業鏈規模預計超過1.8萬億美元，極具發展前景。

近年來，以超表面材料(metasurfaces)為代表的新一代界面已經成為諸多領域關注的熱點。隨著超表面獨特的光學性質和許多新穎的物理現象不斷地被發現，產業界迫切的期待著其能夠引領新一輪的光電子產業革命。然而，可見光波段的超表面眾所周知的2個瓶頸卻一直橫亙在漂亮的實驗室原型和工業界的冷感：1.若用離子束刻蝕工藝加工等離子超表面，大面積大批量制造的難度，時長，費用和設備負載會成為夢魘；2。 若用現有半導體工藝制備介質超表面（主要為Si和TiO₂），雖然號稱工藝兼容，但由于先進強大功能的介質超表面通常需要單晶材料以及非常苛刻的幾何尺寸要求，事實上其制造卻在不斷挑戰當前半導體工藝加工的極限，世界上也只有寥寥幾個實驗室能加工出來一些單品，更遑論穩定重復的量產。因此，學術界和產業界的脫鉤急需尋找可行的解決途徑。

【成果簡介】

最近，武漢大學鄭國興課題組和韓國浦項科技大學(POSTECH)魯俊錫教授、新加坡國立大學仇成偉教授、英國伯明翰大學張霜教授等展開合作研究，發明了一種基于雙磁共振原理的超表面材料。這種新光學機理和對應界面結構的出現，為徹底解決光學超表面制造難題提供一種全新的且被證明可行的路徑。

磁共振現象發生在亞波長結構材料中，該效應可引起光波的強烈反射。研究小組發現，僅需要在普通玻璃的表面放置一些周期排布的硅納米磚薄層，不僅可以實現納米磚長軸和短軸方向的磁共振，而且還可在兩者之間形成較大的各向異性。通過進一步優化設計超表面結構，可以同時實現超高的反射率和精密的相位調節功能，因此可用于制造各種相位型光電子元器件。目前，研究小組設計的可見光下硅基超表面光器件的深寬比已降至1(而傳統硅基超表面的深寬比通常超過5，最高達到15)，因此成熟的半導體工藝即可完成加工，并可延用納米壓印技術形成批量生產規模。更值得一提的是，研究小組發現，半導體產業中成熟的SOI材料甚至可以直接應用于超表面器件的加工，因此可省去在玻璃材料上生長硅薄膜的工藝，使得器件的加工工藝進一步簡化。

研究小組利用雙磁共振超表面材料實現了可工作于自然光下的超精細計算全息。眾所周知，當前研究的超材料全息只能在復雜的激光照明裝置下才能工作；然而實際應用場合中往往缺乏諸如激光器、起偏器、波片、濾波器、透鏡等輔助裝置，這給超表面的應用帶來困難。研究小組為此引入了像全息的概念，使得所成的全息像“漂浮”在全息片的表面。更重要的是，全息像對光源的依賴程度大大下降：全息像對入射光的偏振態、相干性不再敏感，對照明的角度和波長也非常寬容。因此不需要借助任何復雜裝置，觀察者甚至在自然光下就可看到清晰的全息圖像。研究小組以NANO、武漢大學校徽等作為目標圖案，研制出可工作于自然光下的高清晰全息光學元件，其實際效果如圖1和圖2所示。這項成果近期發表在ACS Nano上 (2017, 11 (9), pp 9382–9389)。

值得一提的是，由于超表面的象元僅為400納米，因此這種使全息圖漂浮在樣片表面的新技術和傳統全息防偽以及納米印章技術相比，其生成的圖案將更加細膩和逼真(后兩者的分辨率通常為幾個到十幾個微米)，因此在實際應用中將會帶來諸多好處。具體比如，在信息安全、3D傳感、人工智能、VR和AR顯示等領域，超表面在保持結構緊湊這一優點的同時、還能夠生成信息量更大、空間擴展角度更廣的全息圖像，從而為新一代信息技術提供更加有力的基礎硬件保障。

【圖文導讀】

圖1 基于雙磁共振的可見光超表面全息術。

（a）像全息工作原理示意圖；

（b）相位分布圖；

（c）像全息片局部電鏡掃描圖；

（d，e）鹵素燈及手機閃光燈照明時全息圖，納米磚厚度為220nm；

（f，g）鹵素燈及手機閃光燈照明時全息圖，納米磚厚度為150nm。

圖2 利用絕緣襯底上的硅材料（SOI）制造可見光超表面像全息片。

（a）目標圖像——武漢大學校徽；

（b）相位分布圖；

（c）自然光照明時全息圖像；

（d）手機閃光燈照明時全息圖像。

【小結】

一代材料、一代器件、必然打造全新一代的光學系統。科學家們在超表面材料的創新研究，勢必引領新一輪光電子產業的技術革命。如果說過去的五年是超表面材料在實驗室的孕育階段，那么我們有理由相信，未來五年將是超表面材料全面應用的新時代。而我們研究的方案，在物理機制研究上是全新的，在增材制造量產第一次突破了困境，在使用終端可以讓用戶不需再受光學實驗室區域的限制，雙磁諧振在硅表面跳起了“華爾茲”，共同期待著超表面真正激動人心的4.0大時代的來臨。

文獻鏈接：Dielectric Meta-Holograms Enabled with Dual Magnetic Resonances in Visible Light（ACS Nano,2017,DOI:10.1021/acsnano.7b04868）

本文由武漢大學鄭國興老師團隊投稿，材料人Allen整理編輯。

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