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  近期,武汉大学郑国兴课题组和韩国浦项科技大学(PohangUniversityScience&Technology,POSTECH)鲁俊锡教授、新加坡国立大学仇成伟教授、英国伯明翰大学张霜教授等合作,发明了一种基于双磁共振原理的超表面材料。这种新的光学机理和对应界面结构的出现,为彻底解决光学超表面制造难题提供了一种全新的且被证明可行的路径。


  2015年5月,国务院正式颁布《中国制造2025》国家战略发展行动纲领。纲领指出:新一代信息技术与制造业深度融合,正在引发影响深远的产业变革,形成新的生产方式、产业形态、商业模式和经济增长点。作为新一代信息技术重要基础的光电子技术,到2020年相关产业链规模预计超过1.8万亿美元,极具发展前景。


  近年来,以超表面材料(Metasurfaces)为代表的新一代界面已经成为诸多领域关注的热点。随着超表面独特的光学性质和许多新颖的物理现象不断地被发现,产业界迫切地期待着其能够引领新一轮的光电子产业革命。然而,可见光波段的超表面众所周知的两个瓶颈却一直横亘在漂亮的实验室原型和工业界的冷感之间:(1)若用离子束刻蚀工艺加工等离子超表面,大面积大批量制造的难度、时长、费用和设备负载会成为梦魇;(2)若用现有半导体工艺制备介质超表面(主要为Si和TiO2),虽然号称工艺兼容,但由于功能先进强大的介质超表面通常需要单晶材料以及非常苛刻的几何尺寸要求,事实上其制造却在不断挑战当前半导体工艺加工的极限,世界上也只有寥寥几个实验室能加工出来一些单品,更遑论稳定和重复的量产。比如被《科学》杂志评为2016年全球十大科技突破之一的二氧化钛超表面透镜,其微纳结构的最大深宽比(宽40nm,深600nm)高达15(Science,2016,352,1190-1194),传统半导体工艺无法保证其所需的最低工艺误差要求。即便是采用了文中提到的原子层沉积(AtomicLayerDeposition,ALD)工艺,在器件的成品率和量产方面仍然无法保障,更何况高深宽比器件在成像渐晕和轴外点像差矫正等方面的表现也不尽人意。因此,学术界和产业界的脱钩急需寻找可行的解决途径。


  为解决光学超表面制造难题,该研究小组发明了一种基于双磁共振原理的超表面材料。研究表明,磁共振现象发生在亚波长结构材料中,该效应可引起光波的强烈反射。研究小组发现,仅需要在普通玻璃的表面放置一些周期排布的硅纳米砖薄层,不仅可以实现纳米砖长轴和短轴方向的磁共振,而且还可以在两者之间形成较大的各向异性。通过进一步优化设计超表面结构,可以同时实现超高的反射率和精密的相位调节功能,因此可用于制造各种相位型光电子元器件。目前,研究小组设计的可见光下硅基超表面光器件的深宽比已降至1,成熟的半导体工艺即可完成加工,并可延用纳米压印技术形成批量生产规模。更值得一提的是,研究小组发现,半导体产业中成熟的SOI材料甚至可以直接应用于超表面器件的加工,因此可省去在玻璃材料上生长硅薄膜的工艺,使得器件的加工工艺进一步简化。


  研究小组利用双磁共振超表面材料实现了可工作于自然光下的超精细计算全息。众所周知,当前研究的超材料全息只能在复杂的激光照明装置下才能工作;然而在实际应用场合中,往往缺乏诸如激光器、起偏器、波片、滤波器和透镜等辅助装置,这给超表面的应用带来了困难。研究小组为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,全息像对光源的依赖程度大大下降:全息像对入射光的偏振态、相干性不再敏感,对照明的角度和波长也非常宽容。因此不需要借助任何复杂装置,观察者在自然光下就可看到清晰的全息图像。研究小组以NANO、武汉大学校徽等作为目标图案,研制出可工作于自然光下的高清晰全息光学元件,其实际效果如图1和图2所示。


  图1.基于双磁共振的可见光超表面全息术。(a)像全息工作原理示意图;(b)相位分布图;(c)像全息片局部电镜扫描图;(d-e)卤素灯及手机闪光灯照明时全息图,纳米砖厚度为220nm;(f-g)卤素灯及手机闪光灯照明时全息图,纳米砖厚度为150nm


  图2.利用绝缘衬底上的硅材料(SOI)制造可见光超表面像全息片。(a)目标图像——武汉大学校徽;(b)相位分布图;(c)自然光照明时全息图像;(d)手机闪光灯照明时全息图像


  值得一提的是,由于超表面的象元仅为400nm,因此这种使全息图漂浮在样片表面的新技术和传统全息防伪以及纳米印章技术相比,其生成的图案将更加细腻和逼真(后两者的分辨率通常为几微米到十几微米),因此在实际应用中将会带来诸多好处。具体比如,在信息安全、3D传感、人工智能、VR和AR显示等领域,超表面在保持结构紧凑这一优点的同时,还能够生成信息量更大、空间扩展角度更广的全息图像,从而为新一代信息技术提供更加有力的基础硬件保障。


  一代材料、一代器件,新材料的诞生必然打造全新一代的光学系统。科学家们在超表面材料的创新研究,势必将引领新一轮光电子产业的技术革命。如果说过去的五年是超表面材料在实验室的孕育阶段,那么我们有理由相信,未来五年将是超表面材料全面应用的新时代。该成果的研究方案,在物理机制上是全新的,在增材制造量产方面第一次突破了困境,在使用终端方面可以让用户不需再受光学实验室区域的限制,双磁谐振在硅表面跳起了“华尔兹”,共同期待着超表面真正激动人心的4.0大时代的来临。相关成果发表在ACSNano[11,9382-9389(2017)]上。

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