微納光學器件具有在亞波長尺度範圍内發射、引導、調制、局域、吸收和探測光的能力。與傳統的光學器件相比，微納光學器件具有更小的體積、更高的內建度以及更加豐富的光學功能，展現出更廣闊的應用前景和更高的技術價值，現已成為現代內建光學系統中不可或缺的組成部分。在性能方面，微納光學器件展示出高分辨率、高傳輸效率和高開關比等優異的光學性能；在制作工藝上，微納光學器件采用與半導體工藝相容的先進加工技術，不僅保證了高生産效率和精确度，還降低了生産成本。微納光學器件的發展極大的推動了內建光學技術的進步，使得許多新奇的光學現象和技術成為可能，并是以帶來了光學神經網絡、光子內建電路、光量子技術、光通信、生物傳感和光學成像等領域的技術革新。
圖1 三類相變材料及其在可重構微納光學器件中的應用。
靜态微納光學器件的光學特性在其制備完成後随之固定，在一定程度上限制了器件功能性的拓展，通過引入功能材料（如液晶、半導體材料、二維材料、柔性材料、相變材料等）或功能器件（如異質結、微機電系統等），能夠實作微納光學器件光學響應的可逆動态調控，進而形成了可重構微納光學器件。其中，相變材料因相變過程中伴随的材料光學性質或形狀變化而實作相應器件的可重構光學調制，具有相變響應速度快、可循環次數多、相變引起的光學對比度高以及相變激勵方式多元化等優點，為實作可重構微納光學器件提供了極具競争力的解決方案。
圖2 三類相變材料的元素組成及相變激勵手段。
中國科學院實體研究所/北京凝聚态實體國家研究中心微加工實驗室的李俊傑課題組近年來聚焦于微納光子學器件設計、加工及功能內建方面的研究，并在基于相變材料光學超表面的動态光場調控方面取得了一系列重要進展（Advanced Functional Materials 2024，34, 2310626；Laser & Photonics Reviews 2023，17，2200364；Nanoscale 2020，12, 8758；Applied Physics Letters 2018，113, 231103）。在此基礎上，該課題組參考了大量文獻資料和最新研究報道，撰寫了基于相變材料的可重構微納光學器件的綜述文章，從相變材料的性質和相變機制的角度出發，對其在可重構微納光學器件方面的應用做出了詳細介紹和評述（見圖1）。
圖3 電調控與光調控示意圖。
文中介紹的用于實作可重構微納光學器件的相變材料主要包括三種，分别是硫系相變材料（Chalcogenides）、過渡金屬氧化物（Transition metal oxides）以及形狀記憶合金（Shape memory alloys）。如圖2所示，材料的相變激勵方式包括熱調控、光調控、電調控、機械調控、磁場調控和電化學調控。其中，電調控與光調控在調控的便利性與可內建性方面優于其它的相變調控方式，是兩種最具應用價值的相變調控手段（見圖3）。相變前後，硫系相變材料與過渡金屬氧化物的介電性質發生了明顯的變化，這分别源于電子離域程度以及能帶結構的改變，而形狀記憶合金則表現出基于馬氏體相變的可重構形狀變化（見圖4）。
圖4 相變的實體機制及相變引起材料性質的變化。
表1彙總了目前報道的基于相變材料的可重構微納光學器件，主要包括：可重構超表面、可重構片上光學器件、可調光學薄膜器件、光電探測器、全光開關、可調超表面吸收器、可調太赫茲等離激元器件以及可重構雙穩态光學器件等，這些器件的工作波段涵蓋紫外、可見、紅外以及太赫茲波段，所包含的相變材料形式多樣，既有薄膜形式，也包括圖案化結構，而實作相變調控的手段主要集中在電調控和光調控技術上。這些器件以按需或自适應的調控方式與入射光互相作用，進而實作特定的光學調制功能，在新一代微納光學器件及內建光學系統的發展中發揮了不可替代的作用。最後，該綜述對基于相變機制的可重構微納光學器件的現有挑戰及未來發展方向進行了總結和展望。在推動可重構微納光學器件的實用化程序中，應充分考慮相變功耗、調控便利性、相變均勻性、光信号調制幅度與傳輸效率等問題，未來，基于相變機制的可重構微納光學器件将進一步向着高度內建化、高效調制、快速響應、低功耗和耐用性出色的方向發展。
表1 基于相變材料的可重構微納光學器件彙總。
相關研究成果以“Reconfigurable Micro/Nano-Optical Devices Based on Phase Transitions: From Materials, Mechanisms to Applications”為題，線上發表在期刊。中國科學院實體研究所博士研究所學生李晨聖為第一作者，李俊傑研究員和郭海明研究員為本文通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金委員會、中國科學院基礎研究領域青年團隊計劃和北京市科技計劃等項目的支援。
編輯：花卷