海德堡大学&湖南大学：多功能动态光学超表面

来源：两江科技评论

导读

近日，德国海德堡大学刘娜教授课题组和湖南大学段辉高教授课题组合作，提出了一种可以实现全息与彩色显示之间动态切换的多功能超表面器件，相关成果以“Magnesium-Based Metasurfaces for Dual-Function Switching between Dynamic Holography and Dynamic Color Display”为题发表在ACS Nano上。论文第一作者是德国马普学会智能系统研究所的李健雄博士和湖南大学机械与运载工程学院的陈艺勤博士，通讯作者为刘娜教授和段辉高教授。

研究背景

由光学天线组成的超表面结构能够生成多功能的光学元件。例如，近年来，科研人员利用超表面材料实现了多种彩色显示器件。与传统使用颜料和染料来产生颜色的策略不同，超表面材料可基于光学天线或纳米腔的共振激发来产生鲜艳的颜色。所得的彩色印刷品具有出色的稳定性、长久的耐用性以及高分辨率和高数据密度等特性，非常适合数据存储和信息加密等应用。除彩色显示外，超表面材料也可以通过准确地控制光相位来产生高质量的全息图。因此具有超薄、超紧凑特性的超表面结构有望为新一代显示技术提供全新解决方案。作为两种主要的显示功能，彩色印刷和全息显示，一般在不同的超表面器件上实现。为了集成其功能，科研人员最近提出了多种方案将这两个显示功能集成在单个超表面器件中。然而，这些超表面器件本质上是静态的，一旦完成制造，其光学功能将被固定，很大程度上限制了超表面器件的进一步应用。

创新研究

在这项工作中，研究人员提出了一种新颖的超表面器件，该器件利用空间排列的阶梯式纳米腔作为像素来精确控制光的振幅和相位，从而能够生成高品质的彩色图案和全息图。同时，通过引入金属材料镁并利用其相变特性，该器件首次实现了在全息图和彩色显示之间进行双功能的动态切换。金属镁可通过吸收氢转化为电介质氢化镁，当暴露于氧气后，氢化镁则可以还原为镁。这种金属到电介质材料的可逆转换同样伴随着明显的光学响应变化。因此，镁的相变特性为在可见波长范围内构建动态光学器件奠定了基础。

图文速览

图1.（a）双功能动态切换超表面器件示意图。通过对镁材料的氢化和去氢化实现全息显示和彩色显示的动态切换。（b）阶梯式纳米腔结构的制备流程图。银（100 nm）和二氧化硅（190 nm）薄膜分别沉积在硅基板上。在对准标记的帮助下，通过多次电子束曝光套刻，制造出由HSQ组成的阶梯状纳米结构。随后，镁（50 nm）/钛（2 nm）/钯（3 nm）薄膜依次沉积在图案化的样品上。最终使得每个像素点成为一个横向尺寸为500 nm的Fabry-Pérot（FP）纳米腔。

图2.（a）氢化前后光与超表面结构相互作用示意图。当镁处于金属态的时候，样品表面具有极高的反射率，大部分的入射光被反射回去。氢化后的样品反射率会大幅度降低，因此入射光会进入到FP纳米腔中，在腔内产生多次反射以及干涉。（b）波长为633 nm的入射光激发下，反射率和相位延迟在不同HSQ高度下的变化曲线。当镁处于金属态下，反射光的相位延迟线性正比于HSQ的高度，因此HSQ高度分别为0nm、 80nm、160nm、240 nm的四个FP纳米腔被采用作为像素点来实现反射光相位0到2p的调节。当样品氢化后，由于入射光与纳米腔的相互作用，使得反射光的相位延迟不再极度敏感于HSQ高度，其曲线与氢化前相比发生了明显的变化，造成所采用的四个像素点之间的相位差也大幅减小。（c）四阶全息相位分布图。（d）超表面器件SEM图像。（e）实现动态全息切换的实验结果图。当波长为633 nm激光垂直照射在样品上时，在样品的反射方向会产生一个离轴的全息图。通过镁薄膜的氢化和去氢化，此全息图可以实现动态的开关切换。

图3.（a）氢化前后，四个像素点的颜色变化。具有不同HSQ高度的四个像素点在镁薄膜氢化前均表现出高亮的白色反光，氢化后由于纳米腔的FP共振而展现出不同的颜色。（b）不同高度的四个像素点氢化前后的反射光谱。（c）当HSQ高度为240 nm时，氢化前后反射光谱的模拟结果。（d）氢化后，纳米腔产生的二阶和三阶FP共振下的电场分布图。所对应的激发波长分别为510 nm和755 nm。

图4.（a）双功能动态切换超表面器件的SEM图像。（b）全息图显示与彩色显示间动态切换的实验结果图。氢化前，白光照射下的超表面器件展现出白色的反光，没有明显的彩色图样。当633 nm激光垂直入射器件时，在远场可以投影出清晰的全息图案，此时超表面器件表现出全息显示功能。当镁薄膜氢化后，器件在白光下展现出鲜艳的彩色图案，而此时全息图案消失，超表面器件的功能被动态切换到彩色显示。（c）彩色显示的灰度值与全息图强度值在氢化与去氢化过程中的实时变化曲线。