寧波材料所在雙曲等離激元材料研究方面取得進展
等離激元光子學（plasmonics）是目前材料科學、凝聚態(tài)物理、納米光子學等多學科交叉的前沿領域之一。等離激元（plasmon）通常指固體中自由電子集體振蕩的量子化，是凝聚態(tài)物理中最基本的幾種元激發(fā)之一。等離極化激元（plasmon polariton）是指光子與等離激元耦合形成的一種特殊電磁模式，是一種半光子半電子的準粒子，是極化激元（polariton）中的一種（還有聲子極化激元、激子極化激元等）。等離激元可以將光場局域到納米尺度，突破阿貝光學衍射極限，增強光子-電子-物質(zhì)的相互作用，為納米尺度光子的精確調(diào)控提供有效手段，對光電器件的納米尺度集成、光子芯片、電催化與光催化都具有重要意義。
雙曲等離激元是等離極化激元的一種，其等頻面為雙曲型，具有雙曲光學色散行為（表現(xiàn)為平行與垂直于各向異性軸的介電常數(shù)滿足 ε‖＇·ε⊥＇＜0的關系），通常只存在于光學各向異性材料中，如雙曲超材料（Hyperbolic Metamaterials）。雙曲光學色散會產(chǎn)生很多神奇的物理現(xiàn)象，例如理論上可以達到無窮大的動量、無限高的光場局域能力以及極大的光子態(tài)密度等，在超高分辨成像、負折射率、光學隱身、光子態(tài)密度調(diào)制、增強自發(fā)輻射、拓撲光子學、非線性光學等前沿光學領域發(fā)揮著重要作用。近年來，隨著柔性電子學與等離激元光子學的融合發(fā)展，對于柔性等離激元材料與器件的研究已經(jīng)成為學科的一個前沿熱點。盡管光學雙曲超材料的研究已取得了長足進展，但是兼具大尺寸（如晶圓級）、高熱穩(wěn)定性、高柔性、高單晶性的雙曲超材料的研究仍進展緩慢。
針對上述挑戰(zhàn)，中國科學院寧波材料技術與工程研究所納米實驗室張如意助理研究員、曹彥偉研究員等，利用自主研制的磁控濺射外延系統(tǒng)（專利CN 217324268U、CN 212365927U），在前期的研究基礎上（ACS Photonics 8, 847 (2021), ACS Appl. Mater. Interfaces 13, 60182 (2021)），提出了在柔性氟晶云母襯底（F-mica）上外延生長TiN/ScN超晶格以構建柔性單晶雙曲超材料的思路（如圖所示），發(fā)展了一種制備2英寸、難熔、柔性、單晶等離激元材料與器件的方法。與中科院物理所張慶華副研究員、谷林研究員合作，利用高分辨透射電鏡揭示了材料原子尺度的結構。與寧波材料所納米實驗室的高俊華副研究員、曹鴻濤研究員合作，通過橢偏光譜儀確認了材料的光學雙曲性質(zhì)。該柔性TiN/ScN超晶格不但在可見光與近紅外光譜范圍內(nèi)都具有光學雙曲色散行為，還表現(xiàn)出超低介電損耗，具有可媲美剛性單晶雙曲超材料的高品質(zhì)因子。更重要的是，其熱穩(wěn)定性（＞1000℃）和力學穩(wěn)定性（＞1000次彎折）遠超由貴金屬/介質(zhì)多層膜構建的雙曲超材料，例如由貴金屬/有機介質(zhì)多層膜構建的柔性雙曲超材料的工作范圍一般小于100℃。
該工作發(fā)展了一種構建高性能、高穩(wěn)定性等離激元材料與器件的新方法，有望拓展柔性等離激元光子學與納米光子學器件的應用范圍。相關成果以“Flexible but Refractory Single-Crystalline Hyperbolic Metamaterials”為題發(fā)表在國際期刊Nano Letters上（DOI：10.1021/acs.nanolett.3c00512）。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、浙江省自然科學基金、寧波市重點研發(fā)計劃等項目的支持。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c00512
圖a.基于TiN/ScN 超晶格的柔性單晶雙曲超材料概念圖；b.2英寸雙曲超材料；c.柔性單晶雙曲超材料制備流程；d.透射電鏡圖；e.光學品質(zhì)因子；f.1000℃高溫穩(wěn)定性; g.可見光與近紅外波段光學雙曲色散行為
?。{米實驗室 張如意）