圖1.(a)飛秒激光誘導(dǎo)GST改性納米光柵的寫入、調(diào)制、擦除和再寫示意圖。(b)不同階段的 GST表面的光學(xué)顯微圖像。比例尺:10微米。(c)帶有信息隱藏的彩色動態(tài)顯示

微納光子結(jié)構(gòu)的動態(tài)可調(diào)諧性是實現(xiàn)下一代智能光子器件的關(guān)鍵。傳統(tǒng)光學(xué)器件一旦制備完成，其結(jié)構(gòu)與功能便難以改變，嚴(yán)重制約了其在動態(tài)成像、信息加密、可重構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)等前沿領(lǐng)域的應(yīng)用。相變材料(PCM)如Ge2Sb2Te5(GST)因其非易失、可逆的相變特性，為動態(tài)光子學(xué)提供了理想平臺。然而，現(xiàn)有研究多聚焦于其介電常數(shù)調(diào)控，而對其在相變過程中伴隨的顯著體積變化(密度變化約6.5–8.2%)所引發(fā)的結(jié)構(gòu)重構(gòu)潛力尚缺乏系統(tǒng)探索。

針對這一挑戰(zhàn)，北京理工大學(xué)姜瀾院士、韓偉娜研究員團(tuán)隊獨辟蹊徑，提出了一種基于飛秒激光打印的GST納米光柵可逆結(jié)構(gòu)調(diào)控新方法，實現(xiàn)了從“性能調(diào)控”到“結(jié)構(gòu)重構(gòu)”的跨越。該成果以《Reversible Structural Modulation of Ge2S2Te5-Modified Nanogratings via Femtosecond Laser Imprinting for Dynamic Photonic Applications》為題，發(fā)表于《ACS Photonics》。研究首次系統(tǒng)利用GST相變過程中的宏觀體積效應(yīng)，而非傳統(tǒng)的介電常數(shù)變化，作為結(jié)構(gòu)驅(qū)動的物理根源，結(jié)合飛秒激光的高精度加工優(yōu)勢，實現(xiàn)了納米光柵幾何形貌的可逆、精準(zhǔn)調(diào)控。

與傳統(tǒng)依賴介電常數(shù)調(diào)控的策略不同，該方法直接利用GST相變誘導(dǎo)的密度變化，實現(xiàn)了光柵周期、線寬與取向的靈活調(diào)制。通過精確控制激光能量、偏振與掃描參數(shù)，研究團(tuán)隊成功制備出具有偏振選擇性與角度依賴性的結(jié)構(gòu)色光柵，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了雙圖案存儲、多維信息加密與動態(tài)刷新數(shù)字顯示等多種功能。

圖2.動態(tài)刷新數(shù)字顯示。(a)GST改性納米光柵結(jié)構(gòu)擦除與重寫的示意圖。(b)多次寫入與擦除的光學(xué)顯微鏡檢測結(jié)果。(c)在自然光下拍攝的數(shù)字顯示圖像。(d)至(m)數(shù)字0至9的動態(tài)刷新數(shù)字顯示。(n)至(r)在不同光照條件下數(shù)字9的動態(tài)顏色。

研究團(tuán)隊進(jìn)一步結(jié)合超快泵浦-探測光譜與高分辨透射電鏡，首次清晰揭示了GST改性納米光柵在循環(huán)相變過程中的微觀結(jié)構(gòu)演化機(jī)制：

●首次寫入階段以均勻成核為主，形成沿[001]方向生長的大尺寸晶粒(約40 nm)。

●在擦除-再寫入循環(huán)中，成核機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷鶆虺珊?，晶粒顯著細(xì)化至5–10 nm，并伴隨晶向從[001]向[011]的系統(tǒng)性轉(zhuǎn)變。

●擦除過程極為迅速，可在50 ps內(nèi)完成非晶化，展現(xiàn)了超快激光調(diào)控的獨特優(yōu)勢。

研究同時發(fā)現(xiàn)，循環(huán)過程中持續(xù)的晶粒細(xì)化、晶格重組與缺陷積累共同導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)性能的漸進(jìn)式退化，這一機(jī)制性發(fā)現(xiàn)為今后設(shè)計高耐久性、長壽命相變器件提供了關(guān)鍵的理論依據(jù)和優(yōu)化方向。

圖3. 改性納米光柵相變過程的微結(jié)構(gòu)演化與擦除動力學(xué)。(a) 顯示約580納米周期性的初級改性納米光柵截面圖。(b) 圖(a)黃色區(qū)域的高分辨透射電鏡圖像，顯示出[020]晶帶軸(d=3.01埃米)的(001)取向晶面與相鄰[111]取向晶粒(d=3.48埃米)。(c) 擦除后重寫的改性納米光柵，周期減小至490±20納米。白色箭頭指示"多孔"基質(zhì)中的氣泡缺陷。(d) 高分辨透射電鏡顯示首次寫入的40納米晶粒在重寫后碎裂為5-10納米、具有(011)晶面的小晶粒。(e) 飛秒激光泵浦探測技術(shù)捕捉的擦除過程瞬態(tài)光學(xué)顯微圖像(黑色虛線輪廓表示高斯光束輪廓)。(f) 從(e)提取的空間-時間分辨相對反射率(ΔR/R)圖譜。(g)改性納米光柵相變循環(huán)過程的時空分辨示意圖。

該研究不僅提出了一種基于體積效應(yīng)的結(jié)構(gòu)調(diào)控新范式，更通過揭示其背后的相變微觀機(jī)制，為可重構(gòu)光子器件、自適應(yīng)光學(xué)與安全通信等領(lǐng)域奠定了堅實的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。該論文的通訊作者為北京理工大學(xué)激光微納制造研究所韓偉娜研究員，第一作者為戴育靈博士。研究工作獲得了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃等項目的支持。

審核編輯 黃宇