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基於超低損耗 Sb2Se3 相變材料的超薄 BIC 超表面


核心概念
本文展示了利用超低損耗相變材料 Sb2Se3 設計和製造可調諧 BIC 超表面的研究。實驗證明,僅 25 納米厚的 BIC 超表面在近紅外區域表現出高達 130 的高 Q 因數和寬廣的共振調諧(16 納米),並成功應用於調控上转换纳米粒子的光致發光,降低了多光子光致發光的激發功率,並實現了發射偏振操控。
摘要

Sb2Se3 相變超材料實現可調諧 BIC 超表面

引言
  • 超表面是由人工設計的亞波長結構陣列組成,徹底改變了光子設計,實現了對光前所未有的控制,並促進了緊湊和輕便的光學系統的發展。
  • 由相變材料 (PCM) 製成的主動式超表面提供了可重構性,這一點已被廣泛探索用於可調諧光子器件,包括光開關、變焦超透鏡、空間光調製器、光子神經網絡和超材料光纖。
  • 然而,這些 PCM 在近紅外 (NIR) 範圍內固有地表現出高光吸收,這阻礙了它們在具有高品質因數 (Q 因數) 的諧振超表面中的使用。
  • 硫化銻 (Sb2S3) 和硒化銻 (Sb2Se3) 作為一種新的 PCM 家族出現,在近紅外區域表現出高折射率對比度和超低損耗,已被用於開發可調諧超透鏡和可重構集成光子器件。
  • 连续谱中的束缚态 (BIC) 最初是在量子力學中提出的,作為能量嵌入在传播波的连续谱内的局部态,已被用於開發具有理論上無限大 Q 因數的諧振超表面。
Sb2Se3 超表面的廣泛共振調諧
  • 本文展示了直接利用超低損耗(25 納米厚)Sb2Se3 薄膜設計和製造可調諧 BIC 超表面的研究,該薄膜被图案化成不對稱雙桿結構陣列。
  • 雙納米棒之間的長度差(圖 2c 中定義的不對稱因子)提供了一種方便的機制來控制 BIC 超表面的輻射損耗,從而支持從遠場激發可訪問的准 BIC (q-BIC) 共振。
  • 得益於其在近紅外區域的高折射率和超低損耗(圖 S1),Sb2Se3 與通常用於近紅外區域 BIC 超表面的矽材料相比具有顯著優勢(圖 1b)。
  • 即使厚度低至 15 納米,Sb2Se3 超表面也能支持具有高 Q 因數和大調製深度的 q-BIC 共振。
  • 相反,由於折射率相對較低,當厚度減小到 30 納米以下時,矽超表面對應物無法支持可測量的 q-BIC 共振(圖 S1c)。
  • 值得注意的是,超薄厚度對於 PCM 優異的薄膜非晶化和相變特性至關重要,可實現更有效的熱傳輸和更低的功耗。
  • 超薄 Sb2Se3 BIC 超表面通過從非晶態到結晶態的相變實現了 q-BIC 共振的寬帶共振調諧(圖 1c)。
  • 25 納米和 150 納米的超表面厚度可以分別實現超過 20 納米和 170 納米的寬共振調諧。
Sb2Se3 超表面的製造和表徵
  • 實驗上,使用標準平面光刻方法製造了 25 納米厚的 Sb2Se3 BIC 超表面,該方法包括電子束光刻、剝離、材料沉積和退火工藝(圖 S3)。
  • 通過熱退火工藝實現相變,如圖 3a 所示。
  • 將所製備的超表面在三個不同的溫度(T1=180°C、T2=200°C 和 T3=220°C)下退火,這些溫度與圖 2 中所示的模擬溫度相同。
  • 圖 3b 展示了製造的超表面樣品的光學和掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像。
  • 使用傾斜 SEM 圖像(圖 S4)和 AFM 測量(圖 3c)確認了超表面厚度約為 25 納米。
  • 使用自建的明場成像設置(參見方法)表徵了超表面的透射光譜。
利用 Sb2Se3 超表面調製上转换光致發光
  • 使用開發的 Sb2Se3 超表面來調製峰值吸收波長約為 980 納米的 UCNP 中的 PL。
  • 將稀釋的 NaYF₄:60%Yb、2%Er、4%Tm UCNPs 溶液滴鑄到超表面上(圖 4a),並使其在環境條件下自然乾燥。
  • UCNP 的平均尺寸約為 45 納米(圖 4b),如統計尺寸分佈直方圖所示(圖 4c)。
  • 為了研究使用 Sb2Se3 超表面調製上转换 PL,使用背焦激發配置,使用波長為 980 納米的飛秒脈衝激光照射超表面樣品。
  • 有關光學設置的更多詳細信息,請參見“方法”部分和圖 S8。
結論
  • 本文展示了利用超低損耗 PCM Sb2Se3 設計和製造可調諧 BIC 超表面的研究。
  • 所製造的 BIC 超表面厚度僅為 25 納米,通過從非晶態到結晶態的相變,表現出高達 130 的高 Q 因數和寬共振調諧(16 納米)。
  • 這項工作突出了 Sb2Se3 在開發支持強共振的可調諧非局部超表面方面的巨大潜力,Sb2Se3 在近紅外區域具有高折射率和超低損耗。
  • 與之前將 PCM 薄層與由不同材料製成的現有 BIC 超表面相結合的實驗相比,這種方法具有顯著優勢,之前的實驗顯示共振調諧範圍受到顯著限制,並且由於多步製造工藝而變得更加複雜。
  • 在未來的研究中,將研究使用脈衝激光束調製 PCM Sb2Se3,旨在實現 BIC 超表面中的主動共振調諧。
  • 實驗上,這些 Sb2Se3 超表面被用於調製 UCNP 中的 PL,降低了多光子 PL 的激發功率,並實現了發射偏振操控。
  • 這項工作為在近紅外區域開發主動諧振超表面提供了一個有前途的平台,在超分辨率成像、光調製、超快開關、諧波產生、顏色濾波和光學傳感等領域具有廣泛的應用。
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統計資料
超薄 Sb2Se3 BIC 超表面厚度僅為 25 納米。 Sb2Se3 BIC 超表面在近紅外區域表現出高達 130 的高 Q 因數。 Sb2Se3 BIC 超表面實現了寬廣的共振調諧(16 納米)。 25 納米和 150 納米的超表面厚度可以分別實現超過 20 納米和 170 納米的寬共振調諧。 UCNPs 的平均尺寸約為 45 納米。
引述
"Here we present the design and fabrication of tunable bound states in the continuum (BIC) metasurfaces using the ultralow-loss PCM Sb2Se3." "Our BIC metasurfaces, only 25 nm thick, achieve high modulation depth and broad resonance tuning in the NIR with high Q-factors up to 130, without the need for additional materials." "Experimentally, we employ these BIC metasurfaces to modulate photoluminescence in rare earth-doped upconversion nanoparticles, reducing the excitation power for multiphoton photoluminescence and enabling emission polarisation manipulation."

從以下內容提煉的關鍵洞見

by Zhaoyang Xie... arxiv.org 10-04-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.02413.pdf
Ultrathin BIC metasurfaces based on ultralow-loss Sb2Se3 phase-change material

深入探究

Sb2Se3 材料的哪些特性使其成為開發可調諧 BIC 超表面的理想選擇?除了本文提到的應用之外,這種技術還有哪些其他潛在應用?

Sb2Se3 材料之所以成為開發可調諧 BIC 超表面的理想選擇,是由於其以下特性: 高折射率對比: Sb2Se3 在非晶態和晶態之間表現出顯著的折射率差異,這對於實現寬帶光學調諧至關重要。較大的折射率對比允許在相變期間實現更大的共振偏移,從而實現更廣泛的波長調諧。 近紅外區域的超低損耗: 與其他常見的相變材料(如 GST)相比,Sb2Se3 在近紅外區域表現出極低的 оптическая потеря。這種低損耗特性對於實現高品質因子 (Q-factor) 共振至關重要,因為它最大限度地減少了能量耗散,並允許在更長時間內維持強烈的光與物質相互作用。 與 CMOS 製程相容: Sb2Se3 的製備過程與現有的 CMOS 技術相容,這為其大規模生產和與現有電子設備的集成鋪平了道路。 除了文中提到的應用之外,基於 Sb2Se3 的可調諧 BIC 超表面還具有以下潛在應用: 光學計算: 高 Q 因子共振和可調諧性使 Sb2Se3 BIC 超表面成為光學開關和調製器的理想選擇,可用於光學計算和數據處理。 光束控制: 通過調整 BIC 超表面的幾何形狀和相變特性,可以實現對光束方向、偏振和相位的動態控制,從而為先進的光束整形和控制應用開闢了可能性。 非線性光學: BIC 超表面增強的光與物質相互作用可以顯著增強非線性光學效應,例如倍頻和和頻產生,從而為非線性光學應用(如光學成像和傳感)開闢新的途徑。

如果 Sb2Se3 材料的超低損耗特性無法實現,那麼 BIC 超表面的設計和性能將會受到怎樣的影響?

如果 Sb2Se3 材料不具備超低損耗特性,BIC 超表面的設計和性能將會受到以下影響: 低 Q 因子共振: 材料中的光學損耗會導致能量耗散,從而降低 BIC 共振的 Q 因子。這意味著共振峰會變寬,共振增強效應會減弱,限制了 BIC 超表面在需要高 Q 因子共振的應用中的性能,例如傳感、激光和非線性光學。 調諧範圍縮小: 高損耗會抑制相變期間折射率的有效變化,從而降低可實現的共振波長偏移。這將導致 BIC 超表面的調諧範圍變窄,限制了其在需要寬帶可調諧性的應用中的多功能性。 設計複雜性增加: 為了補償增加的損耗,需要更複雜的超表面設計,例如使用增益材料或採用更複雜的幾何形狀來增強光約束。 總之,Sb2Se3 的超低損耗特性對於實現高性能可調諧 BIC 超表面至關重要。如果沒有這種特性,BIC 超表面的性能將會大打折扣,限制了其在各種光子應用中的適用性。

從材料科學的角度來看,如何進一步改進 Sb2Se3 材料的性能,以更好地滿足未來光子器件的需求?

為了進一步提升 Sb2Se3 材料的性能,使其更好地滿足未來光子器件的需求,可以從以下幾個材料科學的角度進行改進: 降低缺陷密度: 材料中的缺陷,例如空位、間隙原子和雜質,會導致光學損耗和影響相變特性。通過優化薄膜沉積工藝,例如使用分子束外延或脈衝激光沉積,可以有效降低缺陷密度,從而提高材料的光學透明度和相變速度。 摻雜工程: 通過摻雜其他元素,可以調節 Sb2Se3 的光學和電學特性。例如,摻雜某些元素可以改變材料的能帶結構,從而調整其折射率或改變其相變溫度,使其更適合特定的應用需求。 異質結構設計: 將 Sb2Se3 與其他材料(例如介電材料或金屬)結合形成異質結構,可以創造出具有新功能的光子器件。例如,將 Sb2Se3 與高折射率介電材料結合可以增強光約束,從而提高 BIC 超表面的 Q 因子。 探索新型相變材料: 除了改進 Sb2Se3 材料本身,還可以探索具有更優異性能的新型相變材料。例如,一些硫族化合物和合金在近紅外區域表現出更大的折射率對比和更快的相變速度,有望取代 Sb2Se3 成為下一代可調諧光子器件的核心材料。 通過以上材料科學方面的改進,可以預期 Sb2Se3 及其相關材料將在未來光子器件中發揮更重要的作用,為光學通信、光學計算、傳感和成像等領域帶來新的突破。
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