基于相变的可重构微纳光学器件：从材料、机制到应用 | 进展

微纳光学器件具有在亚波长尺度范围内发射、引导、调制、局域、吸收和探测光的能力。与传统的光学器件相比，微纳光学器件具有更小的体积、更高的集成度以及更加丰富的光学功能，展现出更广阔的应用前景和更高的技术价值，现已成为现代集成光学系统中不可或缺的组成部分。在性能方面，微纳光学器件展示出高分辨率、高传输效率和高开关比等优异的光学性能；在制作工艺上，微纳光学器件采用与半导体工艺兼容的先进加工技术，不仅保证了高生产效率和精确度，还降低了生产成本。微纳光学器件的发展极大的推动了集成光学技术的进步，使得许多新奇的光学现象和技术成为可能，并因此带来了光学神经网络、光子集成电路、光量子技术、光通信、生物传感和光学成像等领域的技术革新。

图1 三类相变材料及其在可重构微纳光学器件中的应用。

静态微纳光学器件的光学特性在其制备完成后随之固定，在一定程度上限制了器件功能性的拓展，通过引入功能材料（如液晶、半导体材料、二维材料、柔性材料、相变材料等）或功能器件（如异质结、微机电系统等），能够实现微纳光学器件光学响应的可逆动态调控，从而形成了可重构微纳光学器件。其中，相变材料因相变过程中伴随的材料光学性质或形状变化而实现相应器件的可重构光学调制，具有相变响应速度快、可循环次数多、相变引起的光学对比度高以及相变激励方式多元化等优点，为实现可重构微纳光学器件提供了极具竞争力的解决方案。

图2 三类相变材料的元素组成及相变激励手段。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心微加工实验室的李俊杰课题组近年来聚焦于微纳光子学器件设计、加工及功能集成方面的研究，并在基于相变材料光学超表面的动态光场调控方面取得了一系列重要进展（Advanced Functional Materials 2024，34, 2310626；Laser & Photonics Reviews 2023，17，2200364；Nanoscale 2020，12, 8758；Applied Physics Letters 2018，113, 231103）。在此基础上，该课题组参考了大量文献资料和最新研究报道，撰写了基于相变材料的可重构微纳光学器件的综述文章，从相变材料的性质和相变机制的角度出发，对其在可重构微纳光学器件方面的应用做出了详细介绍和评述（见图1）。

图3 电调控与光调控示意图。

文中介绍的用于实现可重构微纳光学器件的相变材料主要包括三种，分别是硫系相变材料（Chalcogenides）、过渡金属氧化物（Transition metal oxides）以及形状记忆合金（Shape memory alloys）。如图2所示，材料的相变激励方式包括热调控、光调控、电调控、机械调控、磁场调控和电化学调控。其中，电调控与光调控在调控的便利性与可集成性方面优于其它的相变调控方式，是两种最具应用价值的相变调控手段（见图3）。相变前后，硫系相变材料与过渡金属氧化物的介电性质发生了明显的变化，这分别源于电子离域程度以及能带结构的改变，而形状记忆合金则表现出基于马氏体相变的可重构形状变化（见图4）。

图4 相变的物理机制及相变引起材料性质的变化。

表1汇总了目前报道的基于相变材料的可重构微纳光学器件，主要包括：可重构超表面、可重构片上光学器件、可调光学薄膜器件、光电探测器、全光开关、可调超表面吸收器、可调太赫兹等离激元器件以及可重构双稳态光学器件等，这些器件的工作波段涵盖紫外、可见、红外以及太赫兹波段，所包含的相变材料形式多样，既有薄膜形式，也包括图案化结构，而实现相变调控的手段主要集中在电调控和光调控技术上。这些器件以按需或自适应的调控方式与入射光相互作用，从而实现特定的光学调制功能，在新一代微纳光学器件及集成光学系统的发展中发挥了不可替代的作用。最后，该综述对基于相变机制的可重构微纳光学器件的现有挑战及未来发展方向进行了总结和展望。在推动可重构微纳光学器件的实用化进程中，应充分考虑相变功耗、调控便利性、相变均匀性、光信号调制幅度与传输效率等问题，未来，基于相变机制的可重构微纳光学器件将进一步向着高度集成化、高效调制、快速响应、低功耗和耐用性出色的方向发展。

表1 基于相变材料的可重构微纳光学器件汇总。

相关研究成果以“Reconfigurable Micro/Nano-Optical Devices Based on Phase Transitions: From Materials, Mechanisms to Applications”为题，在线发表在《Advanced Science》期刊。中国科学院物理研究所博士研究生李晨圣为第一作者，李俊杰研究员和郭海明研究员为本文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委员会、中国科学院基础研究领域青年团队计划和北京市科技计划等项目的支持。

编辑：花卷

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