可調節透明度的智能窗？新型光學材料助你實現夢想！

材料牛注：你是否曾經幻想過擁有根據陽光強度智能調節透光度的智能玻璃窗？就職于哥倫比亞大學的華人教授于南方領導的研究小組已經發現了一種新的相變光學材料，在不久的未來或許就可以實現這些神奇的設想。

由哥倫比亞大學工程應用物理學助理教授于南方領導的一個研究小組發現了一種新的相變光學材料。他們已經證明，由此制造的新型器件具有更大的調制幅度，可以在一個比目前更廣泛的波長范圍內動態地控制光波。該小組包括來自普渡大學、哈佛大學、德雷克塞爾和布魯克海文國家實驗室的研究人員。他們發現，釤鎳（SmNiO3）可在前所未有的廣泛的光譜范圍內通過電調制連續地在透明和不透明狀態之間變化。光波從藍色（ 波長400納米），到中紅外的熱輻射譜（波長在幾十微米左右）均可實現這種連續變化。這項研究是SmNiO3光學特性的首次研究，也是首次在光子器件中應用。這篇文章已于8月30日在Advanced Materials上發表。

“對光學調制的幅度和波長范圍而言，SmNiO3的性能是破紀錄的。”于南方說，“幾乎沒有任何其他材料可以提供這種用于光電器件的高度理想的性質。在透明和不透明狀態之間的可逆調諧是在室溫下由電子摻雜實現的。這種轉變可能非常快，這為一系列令人興奮的應用提供了可能。比如‘智能窗’對太陽光的完全動態的控制，熱輻射涂料紅外隱身和輻射溫度控制，光調制器和光存儲設備等等。”

一些潛在的新功能包括利用SmNiO3控制熱輻射的特性，制作紅外偽裝和體溫調節的“智能”涂料。這些涂層可以使人員和車輛，例如，在夜間呈現出比實際冷得多的假象，以此來躲避熱攝像頭的探測。該涂層可以通過調整其亮暗側面的相對熱輻射來降低衛星上的巨大晝夜溫差，并由此延長衛星的壽命。因為這種相變材料可以高速地在透明和不透明狀態之間切換，因此可在調制器中用于自由空間光通信、光雷達和在光存儲裝置中。

研究人員長期以來一直試圖建立一個可以動態地控制光的有源光學器件。其中包括波音787夢想飛機的“智能窗”，它能夠控制（但不是完全）太陽光的透射；也包括可擦寫DVD光盤，在其上我們可以用激光束寫入和擦除數據；以及高數據速率，長距離光纖通信系統，其中信息就是由光學調制器“寫入”光束的。然而，有源光器件在日常生活中并不常見，因為要找到先進的可動態調光的材料太難了，設計制作可以放大這種可調材料性能的設備也太難了。

當哈佛大學材料科學副教授Shriram Ramanathan在室溫下發現SmNiO3巨大可調電阻系數時，于南方注意到了。兩人在2013年相識于IEEE光子會議，并決定合作。于南方和他的學生同Ramanathan一起工作，他們都是這篇文章的合著者。于南方和他的學生進行了這種相變材料的初始光學研究，他們集成材料到納米結構的光學界面上，創造了有源光電設備的原型，包括用于控制光的光學調制器，以及控制熱輻射效率的可變發射率涂層。

“SmNiO3確實是一個不尋常的材料，”李昭一（音譯）說，他是該論文的第一作者，也是于南方的博士生，“在電學上它更絕緣，光學上更加透明，因為它摻雜了更多的電子。這于常見的材料正好相反，如半導體。”

事實證明，摻雜電子與材料中原有電子兩兩“鎖”在了一起，這種量子力學現象稱為 “強電子相關”。而這種效應使得這些電子無法進行流動形成電流也無法吸收光線。因此電子摻雜后，原本不透明的SmNiO3薄膜就可以讓70％以上的可見光和紅外輻射傳輸通過。

“我們的一個最大的挑戰，”李昭一（音譯）補充說，“是將SmNiO3融入光學器件。為了應對這一挑戰，我們開發了特殊的納米制造技術來制作SmNiO3薄膜結構圖案。此外，我們精心選擇了器件結構和材料以確保該設備在實驗過程中可以維持所需要的高溫高壓，用以激活SmNiO3。”

于南方和他的合作者下一步打算進行系統的研究以了解SmNiO3相變的基礎科學，并探討其下一個技術應用方向。該團隊將調查相變的固有速度，相變周期以及材料損壞之前可承受的相變周期數。他們也將努力解決技術問題，包括合成該材料的超薄光滑膜，發展納米制造技術以將這種材料融入新的光學裝置中。

“這項工作讓我的研究實驗室向我們的主要目標又邁出了關鍵的一步。我們最終希望制成一個光接口的功能光學器件，”于南方說， “我們設想通過利用光與二維結構材料之間的強相互作用制作‘平面光學元件’來控制光，以此取代笨重的光學器件和部件。這種相變材料的發現和它在平面設備構建中的成功融入是一個重大的飛躍。它制作出的平面光學器件不僅可以增強我們現在使用的設備的性能，而且會具有全新的功能。”

于南方的團隊包括Ramanathan，他的哈佛博士生周游（音譯），和他普渡大學的博士后研究員張真（音譯）；德雷克塞爾大學材料科學教授Christopher Li，博士生齊好（音譯），研究科學家潘奇偉（音譯）；布魯克海文國家實驗室科學家的工作人員陸銘（音譯）和Aaron Stein；在哥倫比亞大學工程學應用物理與應用數學系材料科學與工程學助理教授袁陽（音譯），也這項研究的進展過程中進行了磋商。

其中，張真（音譯）合成了這種相變材料，并做了一些相變實驗（這項工作在哈佛開始，在Ramanathan轉到普渡大學后繼續進行）；潘奇偉（音譯）用新型固體聚合物電解質實現了SmNiO3到固態器件中的整合；陸銘（音譯）和Aaron Stein幫助實現了器件的納米加工。

原文鏈接：New optical material offers unprecedented control of light and thermal radiation

文獻鏈接：Correlated Perovskites as a New Platform for Super-Broadband-Tunable Photonics

本文由編輯部張瑩提供素材，時冰遙編譯，點我加入材料人編輯部。