吸收性能可调的光学超表面

受美国海军研究署、陆军研究办公室和空军科学研究办公室资助，杜克大学的研究人员利用纳米级厚度二氧化钒薄膜和纳米间隙腔构造出主动可调谐超光学表面，通过调节温度可改变其近红外吸收特性。

二氧化钒是一种相变材料，为实现性能的动态调节提供了一种潜在方法。此前研究采用的二氧化钒薄膜通常较厚且粗糙，且大多需要在晶格匹配的基底上生长。研究人员尝试将原子层沉积法与薄膜转移法结合，利用纳米级厚度二氧化钒制备出主动可调谐光学超表面。制备过程是先通过原子层沉积在金膜上生长出9 nm厚二氧化钒薄膜，经退火后由非晶态转变为多晶态，以确保超表面的性能转变具有可逆性；随后，利用电子束光刻法制备出高30 nm、直径88~329 nm的金纳米盘，将其转移到二氧化钒薄膜表面，从而形成主动可调谐超表面。研究发现：二氧化钒薄膜将上下两种金表面分隔，形成平面纳米间隙腔，可产生间隙模式表面等离子体，共振波长由纳米腔的几何结构、材料类型和折射率决定；加热后，二氧化钒的晶体结构由单斜晶系转变为金红石型，导致折射率发生变化，进而实现共振波长的可逆调节。实验结果表明：这种超表面在长达1200 nm的近红外波段范围内，表现出可调的选择性共振吸收特性；通过升温诱导相变温度，共振波长蓝移最高达到60 nm，且在10个以上升/降温循环过程中表现出完全可逆性。

这种光学超表面可用于制造光学开关和存储器、可调谐光电探测器、可重构显示器等深亚波长全固态光电子器件。

相关链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35472261/