可調(diào)光譜像素矩陣，助力光學(xué)器件多功能化

簡(jiǎn)介

近日，來自浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院的何賽靈研究團(tuán)隊(duì)在微納光子學(xué)領(lǐng)域有了新進(jìn)展�；�于二氧化釩相變材料，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種可調(diào)光譜像素矩陣，為可調(diào)控光學(xué)器件和可編程光學(xué)器件的多功能化和實(shí)用化提供了可行方案。相比于過去可調(diào)器件的單一優(yōu)點(diǎn)，該成果在多個(gè)方面（超快、超耐用、可編程）優(yōu)勢(shì)顯著，有望應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、病理檢查等場(chǎng)景，例如在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，高光譜探測(cè)及成像芯片可應(yīng)用于內(nèi)窺鏡及微小型的床邊/POCT即時(shí)檢驗(yàn)。

這項(xiàng)研究成果于2024年8月12日發(fā)表在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊Nature Nanotechnology 上，論文題目為Durable and programmable ultrafast nanophotonic matrix of spectral pixels。浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院何賽靈教授是本文通訊作者，博士后郭庭彪及博士生張智為本論文第一作者；此外，博士生林子艦、碩士生田佳涵、金毅副教授、Julian Evans副教授，臺(tái)州恩澤醫(yī)療中心徐穎鶴教授也在其中作出了重要貢獻(xiàn)。該研究主要受國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、浙江省尖兵領(lǐng)雁計(jì)劃、寧波市科技計(jì)劃項(xiàng)目、上海張江科學(xué)城專項(xiàng)發(fā)展基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目的資助。

研究背景

近年來，得益于各種微納加工技術(shù)的不斷進(jìn)步和平面光學(xué)的興起，光子器件正變得越來越小型化和集成化。超透鏡、超表面偏振器件以及超表面光譜儀等創(chuàng)新產(chǎn)品備受矚目，它們以其卓越的性能和小巧的體積，為光學(xué)領(lǐng)域帶來了革命性的變化。然而，大多數(shù)光子器件一旦制造完成，其功能便固定且單一，難以適應(yīng)多變的應(yīng)用需求。為了解決這一問題，研究者們提出了可調(diào)光學(xué)器件的概念，旨在通過調(diào)節(jié)器件特性以適應(yīng)不同的使用場(chǎng)景，從而大幅提升光學(xué)器件的功能性和實(shí)用性。實(shí)現(xiàn)可調(diào)性的方法和技術(shù)材料多種多樣，各有千秋。液晶材料以其在顯示器領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而著稱，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)連續(xù)的相位和強(qiáng)度調(diào)制，但面臨調(diào)制速率較慢和與偏振相關(guān)的局限性�；�于電光效應(yīng)和載流子注入的器件則以其超高工作帶寬脫穎而出，盡管它們的調(diào)制深度有待提高。電化學(xué)方法和相變材料則以其較大的強(qiáng)度調(diào)制能力吸引了研究者的目光，但它們?cè)谒俣群蛪勖�方面的表現(xiàn)仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。另一方面，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）以其出色的調(diào)制深度和開關(guān)速率在多個(gè)領(lǐng)域中取得了顯著成就，盡管其復(fù)雜的制作工藝和較大的占地面積仍是需要克服的難題。在這場(chǎng)光學(xué)器件的技術(shù)革命中，如何平衡各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇最適合的方案以滿足特定應(yīng)用的需求，是研究者們面臨的挑戰(zhàn)。

研究?jī)?nèi)容

基于此，何賽靈研究團(tuán)隊(duì)提出了一種單像素可調(diào)控的光譜矩陣，同時(shí)滿足高速、長(zhǎng)壽命和多像素可編程性等要求。該像素單元基于二氧化釩相變材料，單個(gè)像素采用微加熱器驅(qū)動(dòng)相變，可以實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)像素控制。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)在提高調(diào)制速度、增加調(diào)制深度、延長(zhǎng)器件壽命等方面取得了新的突破，并展示了結(jié)構(gòu)色顯示及計(jì)算光譜探測(cè)兩種新型應(yīng)用（圖1）。

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圖1.納米光譜像素矩陣的示意圖

首先，團(tuán)隊(duì)對(duì)二氧化釩微腔結(jié)構(gòu)的相變性能進(jìn)行了詳細(xì)表征。該結(jié)構(gòu)二氧化釩微腔僅由銀基底及二氧化釩層構(gòu)成，通過改變二氧化釩的厚度可以獲得可見光全色域的顏色。除了相變前后兩個(gè)狀態(tài)之外，可以通過改變溫度或者電信號(hào)實(shí)現(xiàn)超過60個(gè)穩(wěn)定的中間態(tài)（圖2）。顏色和光譜的巨大調(diào)制能力以及眾多穩(wěn)定的中間態(tài)都為后續(xù)實(shí)現(xiàn)顯示器件及光譜復(fù)原提供了良好的基礎(chǔ)。

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圖2.VO2微腔結(jié)構(gòu)的相變特性

在先前的工作中，依靠電調(diào)控的VO2器件速率多在1kHz，遠(yuǎn)低于其理論調(diào)制速率。之前電可調(diào)器件的研究表明，基底的選擇對(duì)器件的升溫和降溫過程具有非常大的影響。據(jù)此，團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化基底的傳導(dǎo)熱通道，最終將器件的響應(yīng)速度提升至70 kHz，升溫速率和降溫速率為對(duì)應(yīng)硅/二氧化硅基底的335和11倍（圖3）。

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圖3.VO2微腔電熱響應(yīng)速度的優(yōu)化

除此之外，團(tuán)隊(duì)還驗(yàn)證了器件的穩(wěn)定性，證明在一百萬次切換后器件性能無明顯退化（圖4）。二氧化釩相變材料相變前后光學(xué)性質(zhì)的巨大變化，使其僅需要簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)就可以對(duì)顏色產(chǎn)生巨大的調(diào)控，這使得團(tuán)隊(duì)可以通過行列尋址的方式實(shí)現(xiàn)一個(gè)微型顯示器（圖5）。

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圖4.VO2微腔的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和耐久性測(cè)試

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圖5.結(jié)構(gòu)色顯示器演示

顏色調(diào)控的背后是光譜調(diào)控，進(jìn)一步的，團(tuán)隊(duì)采用了四個(gè)不同厚度的二氧化釩微腔作為一個(gè)超單元，同時(shí)在晶態(tài)和非晶態(tài)之外，通過溫度/電壓的控制可以實(shí)現(xiàn)超過60個(gè)穩(wěn)定的中間態(tài)，拓寬了光譜通道�；�于此，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)計(jì)算光譜儀原型，可以按照需求工作在多點(diǎn)快照探測(cè)或單點(diǎn)可調(diào)探測(cè)模式，在整個(gè)可見光波段實(shí)現(xiàn)了良好的復(fù)原效果。

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圖6.通過時(shí)空調(diào)制進(jìn)行光譜探測(cè)，a為芯片光學(xué)顯微鏡實(shí)物圖；b-c為原理示意圖，d為4個(gè)濾光片諸多中間態(tài)反射譜；e-i為光譜復(fù)原結(jié)果

研究亮點(diǎn)

一個(gè)理想的可調(diào)光子器件應(yīng)該同時(shí)滿足大調(diào)制能力、固態(tài)、高速開關(guān)、多切換次數(shù)、高可擴(kuò)展性和像素級(jí)可編程性等要求。為了權(quán)衡各種需求和更好的性能，我們需要研究透徹每一種材料、設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)方式對(duì)器件性能的影響。本研究提出了一種基于二氧化釩的可調(diào)光譜像素矩陣，相比之前的電可調(diào)相變材料器件在諸多方面有了顯著進(jìn)步。

在像素級(jí)可編程性上，以往的器件僅為單個(gè)或數(shù)個(gè)像素，而我們的器件實(shí)現(xiàn)了144個(gè)像素精確控制。

在調(diào)制頻率上，以往微米尺寸器件調(diào)制頻率通常小于1kHz，而我們的器件實(shí)現(xiàn)了超過70kHz的高速調(diào)制。

在器件穩(wěn)定性上，以往器件在數(shù)千次循環(huán)切換后器件性能開始明顯退化，而我們的器件在超過100萬次切換后器件性能穩(wěn)定沒有退化。

在多狀態(tài)控制上，以往器件僅能實(shí)現(xiàn)10個(gè)以內(nèi)穩(wěn)定的中間態(tài)控制，而我們的器件能通過電信號(hào)實(shí)現(xiàn)超過60個(gè)穩(wěn)定的中間態(tài)。

除此之外，基于相變材料相變前后巨大的光譜調(diào)制和眾多穩(wěn)定的中間態(tài)，我們展示了結(jié)構(gòu)色顯示及一種用于光譜檢測(cè)的時(shí)空調(diào)制概念。

研究沒有一帆風(fēng)順，但是殊途同歸

《周易·系辭下》：”天下同歸而殊途，一致而百慮。” 最初，團(tuán)隊(duì)研究的并不是二氧化釩相變材料，而是有著更多引人注目性質(zhì)的Ge2Sb2Te5(GST)。GST在近紅外波段具有較大的折射率對(duì)比度，其非易失性在超低功耗器件方面有很大應(yīng)用前景。同時(shí)，電可調(diào)GST的研究在當(dāng)時(shí)（2020年）還較少，處于一個(gè)‘藍(lán)�！�階段。研究中，恰逢兩篇高水平文章（Nature Nanotechnology 16, 661-666 (2021) 和Nature Nanotechnology 16.6 (2021): 667-672.）發(fā)表，更給了團(tuán)隊(duì)信心。然而，由于該材料相變條件非�？量蹋ǚ蔷Щ�需要溫度超過700度，且以109 ℃/s的速率降溫），研究進(jìn)展一直不順利。在進(jìn)行了多次器件迭代，改善設(shè)備和測(cè)試條件之后，團(tuán)隊(duì)最終成功實(shí)現(xiàn)了相變材料的電可調(diào)切換，然而循環(huán)次數(shù)也僅有2-3次，這一結(jié)果完全達(dá)不到實(shí)用水平。在進(jìn)行了一系列優(yōu)化后，循環(huán)次數(shù)仍沒有有效的提升，同時(shí)，團(tuán)隊(duì)注意到在后續(xù)的幾項(xiàng)前沿工作中（Nature Communications 13.1 (2022): 1696，Nature Nanotechnology 17.8 (2022): 842-848.），該材料循環(huán)次數(shù)也僅有1000次左右。這使得我們重新審視了我們的工作和目標(biāo)，盡管這種材料有著許多吸引人的優(yōu)點(diǎn)，但仍有幾點(diǎn)阻礙了它更廣泛的應(yīng)用：上述提到的可調(diào)次數(shù)僅有1000次，超過這個(gè)次數(shù)之后材料性能會(huì)發(fā)生明顯退化；同時(shí)，為了保障相變前后材料性質(zhì)的穩(wěn)定，會(huì)采取較長(zhǎng)的退火時(shí)間，以使材料充分晶化，這也限制了器件實(shí)際的工作頻率，通常只有幾kHz而達(dá)不到材料本身GHz的調(diào)控頻率限制；最后，相變的苛刻條件必將會(huì)對(duì)未來大面積，多像素調(diào)控產(chǎn)生更多的影響。

之后，團(tuán)隊(duì)將研究方向轉(zhuǎn)向了另一種相變材料-氧化釩(VO2)。它具有較低的相變溫度（68度），可靠的循環(huán)性和理論上的高調(diào)制速率。最終，在克服材料制備、測(cè)試等問題后，研究團(tuán)隊(duì)提出了基于氧化釩相變材料的光譜像素單元，通過加熱發(fā)生相變可以對(duì)顏色和光譜產(chǎn)生巨大的調(diào)制。盡管在電調(diào)GST器件的研究中沒有取得良好的結(jié)果，但是研究過程中積累的經(jīng)驗(yàn)扎扎實(shí)實(shí)的應(yīng)用在了氧化釩器件的研究中。

科研之中會(huì)有這樣那樣的彎路，但不會(huì)有白走的路，只要堅(jiān)定目標(biāo)，最后一定是殊途同歸。在未來的研究中，如何進(jìn)一步地拓展可調(diào)材料的應(yīng)用范圍和實(shí)用性，實(shí)現(xiàn)光學(xué)器件多功能化是需要持續(xù)努力的方向。隨著可編程納米光譜像素技術(shù)的不斷發(fā)展，我們正站在一個(gè)新時(shí)代的門檻上，一個(gè)光學(xué)器件更加智能、更加靈活的時(shí)代，讓我們拭目以待，這些創(chuàng)新技術(shù)將如何塑造我們的未來。

文章信息

Guo, T., Zhang, Z., Lin, Z. et al. Durable and programmable ultrafast nanophotonic matrix of spectral pixels. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01756-5

作者介紹

何賽靈，浙江大學(xué)光電學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，國(guó)際電氣電子工程師協(xié)會(huì)會(huì)士、美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士、國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)會(huì)士及Fellow  of the Electromagnetics Academy （國(guó)際電磁科學(xué)院）。教育部首批長(zhǎng)江特聘教授， 曾獲浙江省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng) (排名第一)，并2次獲浙江省自然科學(xué)一等獎(jiǎng)（2018年排名第一; 2020年排名第二)。主要從事先進(jìn)光電技術(shù)研究，具體包括智能感知技術(shù)、亞波長(zhǎng)微納光子學(xué)、生物光子及醫(yī)工信交叉、傳感與通訊技術(shù)等領(lǐng)域的研究。先后發(fā)表了800多篇國(guó)際期刊文章，論文被他引超4萬多次而個(gè)人H因子為98（Google Scholar），連續(xù)多年入選美國(guó)斯坦福大學(xué)所發(fā)布的全球前2%頂尖科學(xué)家終身成就排行榜（2023年在所有學(xué)科領(lǐng)域匯總 國(guó)際排名13506，在光電子與光子學(xué)（Optoelectronics & Photonics）領(lǐng)域123678學(xué)者中全球位列第32位））及年度影響力排行榜, 連續(xù)8年入選愛思唯爾《中國(guó)高被引學(xué)者榜單》，并第一作者著有一本國(guó)際專著（英國(guó)牛津科學(xué)出版社1998年出版）及一本中文專著（科學(xué)出版社，2010年第一版），編輯了約10本國(guó)際科技論文集。獲授權(quán)國(guó)內(nèi)外專利約60項(xiàng)。