簡介

近日，來自浙江大學光電科學與工程學院的何賽靈研究團隊在微納光子學領(lǐng)域有了新進展�；�于二氧化釩相變材料，該團隊開發(fā)出了一種可調(diào)光譜像素矩陣，為可調(diào)控光學器件和可編程光學器件的多功能化和實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，該成果在多個方面（超快、超耐用、可編程）優(yōu)勢顯著，有望應用于生物醫(yī)學、病理檢查等場景，例如在生物醫(yī)學應用中，高光譜探測及成像芯片可應用于內(nèi)窺鏡及微小型的床邊/POCT即時檢驗。

這項研究成果于2024年8月12日發(fā)表在國際頂尖學術(shù)期刊Nature Nanotechnology 上，論文題目為Durable and programmable ultrafast nanophotonic matrix of spectral pixels。浙江大學光電科學與工程學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，臺州恩澤醫(yī)療中心徐穎鶴教授也在其中作出了重要貢獻。該研究主要受國家重點研發(fā)計劃、浙江省尖兵領(lǐng)雁計劃、寧波市科技計劃項目、上海張江科學城專項發(fā)展基金、國家自然科學基金、中央高�；�本科研業(yè)務費等項目的資助。

研究背景

近年來，得益于各種微納加工技術(shù)的不斷進步和平面光學的興起，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，難以適應多變的應用需求。為了解決這一問題，研究者們提出了可調(diào)光學器件的概念，旨在通過調(diào)節(jié)器件特性以適應不同的使用場景，從而大幅提升光學器件的功能性和實用性。實現(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)域的廣泛應用而著稱，能夠?qū)崿F(xiàn)準連續(xù)的相位和強度調(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。電化學方法和相變材料則以其較大的強度調(diào)制能力吸引了研究者的目光，但它們在速度和壽命方面的表現(xiàn)仍是一個挑戰(zhàn)。另一方面，微機電系統(tǒng)（MEMS）以其出色的調(diào)制深度和開關(guān)速率在多個領(lǐng)域中取得了顯著成就，盡管其復雜的制作工藝和較大的占地面積仍是需要克服的難題。在這場光學器件的技術(shù)革命中，如何平衡各種技術(shù)的優(yōu)缺點，選擇最適合的方案以滿足特定應用的需求，是研究者們面臨的挑戰(zhàn)。

研究內(nèi)容

基于此，何賽靈研究團隊提出了一種單像素可調(diào)控的光譜矩陣，同時滿足高速、長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，單個像素采用微加熱器驅(qū)動相變，可以實現(xiàn)逐點像素控制。通過優(yōu)化設計，團隊在提高調(diào)制速度、增加調(diào)制深度、延長器件壽命等方面取得了新的突破，并展示了結(jié)構(gòu)色顯示及計算光譜探測兩種新型應用（圖1）。

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圖1.納米光譜像素矩陣的示意圖

首先，團隊對二氧化釩微腔結(jié)構(gòu)的相變性能進行了詳細表征。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。除了相變前后兩個狀態(tài)之外，可以通過改變溫度或者電信號實現(xiàn)超過60個穩(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)實現(xiàn)顯示器件及光譜復原提供了良好的基礎。

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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，基底的選擇對器件的升溫和降溫過程具有非常大的影響。據(jù)此，團隊通過優(yōu)化基底的傳導熱通道，最終將器件的響應速度提升至70 kHz，升溫速率和降溫速率為對應硅/二氧化硅基底的335和11倍（圖3）。

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圖3.VO2微腔電熱響應速度的優(yōu)化

除此之外，團隊還驗證了器件的穩(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性質(zhì)的巨大變化，使其僅需要簡單的結(jié)構(gòu)就可以對顏色產(chǎn)生巨大的調(diào)控，這使得團隊可以通過行列尋址的方式實現(xiàn)一個微型顯示器（圖5）。

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圖4.VO2微腔的動態(tài)響應和耐久性測試

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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，進一步的，團隊采用了四個不同厚度的二氧化釩微腔作為一個超單元，同時在晶態(tài)和非晶態(tài)之外，通過溫度/電壓的控制可以實現(xiàn)超過60個穩(wěn)定的中間態(tài)，拓寬了光譜通道�；�于此，研究團隊設計了一個計算光譜儀原型，可以按照需求工作在多點快照探測或單點可調(diào)探測模式，在整個可見光波段實現(xiàn)了良好的復原效果。

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

研究亮點

一個理想的可調(diào)光子器件應該同時滿足大調(diào)制能力、固態(tài)、高速開關(guān)、多切換次數(shù)、高可擴展性和像素級可編程性等要求。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、設計和驅(qū)動方式對器件性能的影響。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步。

在像素級可編程性上，以往的器件僅為單個或數(shù)個像素，而我們的器件實現(xiàn)了144個像素精確控制。

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，以往器件僅能實現(xiàn)10個以內(nèi)穩(wěn)定的中間態(tài)控制，而我們的器件能通過電信號實現(xiàn)超過60個穩(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的時空調(diào)制概念。

研究沒有一帆風順，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，團隊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比度，其非易失性在超低功耗器件方面有很大應用前景。同時，電可調(diào)GST的研究在當時（2020年）還較少，處于一個‘藍�！�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，更給了團隊信心。然而，由于該材料相變條件非常苛刻（非晶化需要溫度超過700度，且以109 ℃/s的速率降溫），研究進展一直不順利。在進行了多次器件迭代，改善設備和測試條件之后，團隊最終成功實現(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)果完全達不到實用水平。在進行了一系列優(yōu)化后，循環(huán)次數(shù)仍沒有有效的提升，同時，團隊注意到在后續(xù)的幾項前沿工作中（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，盡管這種材料有著許多吸引人的優(yōu)點，但仍有幾點阻礙了它更廣泛的應用：上述提到的可調(diào)次數(shù)僅有1000次，超過這個次數(shù)之后材料性能會發(fā)生明顯退化；同時，為了保障相變前后材料性質(zhì)的穩(wěn)定，會采取較長的退火時間，以使材料充分晶化，這也限制了器件實際的工作頻率，通常只有幾kHz而達不到材料本身GHz的調(diào)控頻率限制；最后，相變的苛刻條件必將會對未來大面積，多像素調(diào)控產(chǎn)生更多的影響。

之后，團隊將研究方向轉(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、測試等問題后，研究團隊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)驗扎扎實實的應用在了氧化釩器件的研究中。

科研之中會有這樣那樣的彎路，但不會有白走的路，只要堅定目標，最后一定是殊途同歸。在未來的研究中，如何進一步地拓展可調(diào)材料的應用范圍和實用性，實現(xiàn)光學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，我們正站在一個新時代的門檻上，一個光學器件更加智能、更加靈活的時代，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，浙江大學光電學院教授、博士生導師，國際電氣電子工程師協(xié)會會士、美國光學學會會士、國際光學工程學會會士及Fellow  of the Electromagnetics Academy （國際電磁科學院）。教育部首批長江特聘教授， 曾獲浙江省科學技術(shù)一等獎 (排名第一)，并2次獲浙江省自然科學一等獎（2018年排名第一; 2020年排名第二)。主要從事先進光電技術(shù)研究，具體包括智能感知技術(shù)、亞波長微納光子學、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多篇國際期刊文章，論文被他引超4萬多次而個人H因子為98（Google Scholar），連續(xù)多年入選美國斯坦福大學所發(fā)布的全球前2%頂尖科學家終身成就排行榜（2023年在所有學科領(lǐng)域匯總 國際排名13506，在光電子與光子學（Optoelectronics & Photonics）領(lǐng)域123678學者中全球位列第32位））及年度影響力排行榜, 連續(xù)8年入選愛思唯爾《中國高被引學者榜單》，并第一作者著有一本國際專著（英國牛津科學出版社1998年出版）及一本中文專著（科學出版社，2010年第一版），編輯了約10本國際科技論文集。獲授權(quán)國內(nèi)外專利約60項。