蘇州納米所蔣春萍團(tuán)隊(duì)在光學(xué)超構(gòu)表面及其動(dòng)態(tài)調(diào)控方面取得研究進(jìn)展
隨著新興光學(xué)技術(shù)對(duì)微型化、一體化、智能化光學(xué)系統(tǒng)的需求與日俱增，大大促進(jìn)了納米光電子學(xué)的迅猛發(fā)展。光學(xué)超構(gòu)表面是一種由亞波長結(jié)構(gòu)單元按一定的排列方式組成的人工二維結(jié)構(gòu)，為光場(chǎng)調(diào)控及光信息處理提供了一種全新的研究方式。其最大的優(yōu)點(diǎn)是輕薄和易于集成。然而，這些亞波長結(jié)構(gòu)單元一旦制備完成，便很難再改變其形貌或者尺寸，因而無法對(duì)其光學(xué)性能進(jìn)行有效的動(dòng)態(tài)調(diào)控，從而限制了其功能及應(yīng)用范圍的進(jìn)一步拓展。近年來，科學(xué)家們探索了實(shí)現(xiàn)光學(xué)超構(gòu)表面性能實(shí)時(shí)調(diào)控的多種途徑，其中最引人注目的是將智能材料與光學(xué)超構(gòu)表面相結(jié)合。中科院蘇州納米所蔣春萍研究員團(tuán)隊(duì)與其他團(tuán)隊(duì)合作，在光學(xué)超構(gòu)表面及其動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)研究方面取得多項(xiàng)進(jìn)展。
在靜態(tài)全介質(zhì)超構(gòu)表面方面，中科院蘇州納米所蔣春萍研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合所內(nèi)測(cè)試平臺(tái)王淼博士以及中科院上海光機(jī)所胡敬佩副研究員，報(bào)道了一種非傳統(tǒng)的光學(xué)稀疏孔徑超構(gòu)透鏡，如圖1所示。結(jié)合圖像重建相關(guān)算法，該稀疏孔徑超構(gòu)透鏡僅利用了41%的加工面積，便獲得了與具有0.72mm孔徑的傳統(tǒng)全孔徑超構(gòu)透鏡相媲美的成像能力，大大降低了制作成本。此外，該全介質(zhì)非傳統(tǒng)光學(xué)稀疏孔徑超構(gòu)透鏡在632.8nm光照下衍射極限分辨率為11.36μm，而且在任何偏振態(tài)的入射光下都可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)較高的聚焦效率（>50%）。該研究成果的通訊作者為蔣春萍研究員、王淼博士以及胡敬佩副研究員，第一作者為蘇州納米所特別研究助理林雨博士，該工作以High‐Efficiency Optical Sparse Aperture Metalens Based on GaN Nanobrick Array為題發(fā)表于Advanced Optical Materials, 2102756, 2022。
圖1. (a) 稀疏孔徑超構(gòu)透鏡結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 光學(xué)平面照片，SEM平面圖和截面圖；(c) 聚焦成像性能測(cè)試光路圖；(d) 器件實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果
在動(dòng)態(tài)可調(diào)諧超構(gòu)表面方面，蔣春萍研究員團(tuán)隊(duì)分別與山東大學(xué)宋愛民教授、清華大學(xué)楊帆教授以及南京大學(xué)王漱明副教授團(tuán)隊(duì)合作，開展了智能材料PEDOT:PSS與光學(xué)超構(gòu)表面相集成的電調(diào)控光學(xué)特性研究，取得系列進(jìn)展：
團(tuán)隊(duì)成員用電化學(xué)測(cè)試與光學(xué)測(cè)試相結(jié)合的方法對(duì)有機(jī)電化學(xué)聚合物材料PEDOT:PSS的電調(diào)控光學(xué)介電特性進(jìn)行了詳細(xì)研究。首先使用旋涂法在惰性金屬電極上制備了均勻致密的PEDOT:PSS薄膜，然后在含有鈉離子的電化學(xué)池中對(duì)其進(jìn)行梯度氧化和還原反應(yīng)，并采用計(jì)時(shí)電流法研究了其電化學(xué)特性(圖2(a))。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同的工作電壓可使PEDOT:PSS薄膜處于不同的反應(yīng)狀態(tài)(圖2(b))。然后利用PEDOT:PSS薄膜特有的雙穩(wěn)態(tài)性質(zhì)，通過橢偏儀研究了不同反應(yīng)狀態(tài)下的PEDOT:PSS薄膜在整個(gè)可見光波段(400 – 800 nm)的光學(xué)介電特性(圖2(c))，從而獲得了該薄膜在不同反應(yīng)狀態(tài)下的折射率和消光系數(shù)(圖2(d))。該研究成果的通訊作者為蔣春萍研究員，第一作者為林雨博士，博士研究生趙永旻也做了相應(yīng)貢獻(xiàn)，該工作以Electrical control of the optical dielectric properties of PEDOT:PSS thin films為題發(fā)表于Optical Materials, vol.108, 2020。
圖2. (a) 電化學(xué)測(cè)試示意圖；(b) PEDOT:PSS薄膜材料在不同工作電壓下的還原反應(yīng)程度實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖；(c) 光學(xué)測(cè)試示意圖；(d) PEDOT:PSS薄膜材料在不同還原反應(yīng)程度下的折射率和消光系數(shù)曲線圖
利用上述智能材料，團(tuán)隊(duì)成員設(shè)計(jì)并制備了一種應(yīng)用于可見光波段聚焦能量可調(diào)諧的超構(gòu)透鏡，如圖3所示。通過將PEDOT:PSS和金屬納米天線結(jié)構(gòu)相結(jié)合，研究了超構(gòu)透鏡的電調(diào)控聚焦性能。發(fā)現(xiàn)該可調(diào)諧超構(gòu)透鏡可以有效的對(duì)入射光進(jìn)行聚焦，并且通過施加較小的工作電壓(<2.5V)就可對(duì)其聚焦能量進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)控，調(diào)制深度可超過90%。該調(diào)控過程是完全可逆的，而且不會(huì)影響超構(gòu)透鏡的其他聚焦性能（焦距、焦點(diǎn)位置、聚焦模式均保持不變）。該研究成果的通訊作者為蔣春萍研究員和楊帆教授，第一作者為林雨博士，以Tunable electrochromic Au nanorod-based metalenses for visible light為題發(fā)表于Optics Express, Vol. 29, No. 26, 2021。
圖3. (a) 可調(diào)諧超構(gòu)透鏡結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 涂覆有PEDOT:PSS的超構(gòu)透鏡的SEM平面圖和截面圖；(c) 器件測(cè)試光路圖；(d) 聚焦能量可調(diào)諧超構(gòu)透鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖
團(tuán)隊(duì)成員還將該智能材料與氧化銦錫(ITO)波導(dǎo)光柵相結(jié)合，基于導(dǎo)模共振效應(yīng)，設(shè)計(jì)并制備了一種新型柔性全彩顯示器件。通過外加電壓調(diào)控ITO波導(dǎo)光柵陣列周圍的PEDOT:PSS材料的光學(xué)介電特性，由此實(shí)現(xiàn)彩色動(dòng)態(tài)顯示效果（圖4(a)-(c)）。該器件可以同時(shí)顯示紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)等不同顏色，而且色域值大于70% NTSC，色彩純度（反射峰半高寬）為25nm ~35nm，調(diào)制深度可以達(dá)到78%-90%。該過程完全可逆,且具有良好的循環(huán)特性，響應(yīng)時(shí)間小于1.3s，平均功耗低于3.28 mW/cm2。該研究成果的通訊作者為蔣春萍研究員、宋愛民教授以及王漱明副教授，第一作者為林雨博士，該工作以Electrically Switchable and Flexible Color Displays Based on All Dielectric Nanogratings為題發(fā)表于ACS Applied Nano Materials, vol. 4, 2021。
圖4. (a) 器件設(shè)計(jì)與仿真；(b) 器件實(shí)物圖和SEM截面圖；(c) 器件全彩顯示性能測(cè)試
上述工作得到了江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，江蘇省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目和其他橫向項(xiàng)目的資助，同時(shí)也得到了中科院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站（Nano-X）、加工平臺(tái)和測(cè)試平臺(tái)的支持。
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