开发一种从近紫外到深紫外具有高折射率和低消光系数的可打印材料

据麦姆斯咨询报道，近日，由韩国浦项科技大学（Pohang University of Science and Technology，POSTECH）、高丽大学（Korea University）等机构的研究人员组成的团队在Light: Science & Applications期刊上发表了题为“One-step printable platform for high-efficiency metasurfaces down to the deep-ultraviolet region”的论文，提出了一种新的制造高效紫外（UV）超构表面（metasurface）的一步法可打印平台，以克服低损耗紫外材料的稀缺性和高成本、低产量的制造限制。研究团队将ZrO2 nano-PER开发为一种从近紫外到深紫外具有高折射率和低消光系数的可打印材料，使紫外超构表面可通过纳米压印光刻法在一个步骤中完成制造。

紫外光学在高分辨率成像、光谱学、量子光学、光刻和生物传感等众多应用中发挥着关键作用。到目前为止，紫外光的调制主要依赖于传统的体积庞大的光学元件，这给紧凑型系统的集成带来了困难。此外，传统的紫外光学器件在功能性、多样性和可制造性方面存在局限性。

为取代传统的大体积光学器件，由亚波长结构阵列构成的超构表面已被广泛研究，它们具有在纳米尺度上调制光的特殊能力，并已被应用于超构透镜（metalens）、生物传感器、超构全息图（metahologram）和彩色打印等众多领域。然而，紫外超构表面长期以来一直面临着挑战，诸如缺乏紫外透明材料和低成本、高产量的高分辨率图案化技术等。

用于超构表面的传统高折射率材料通常具有窄带隙，导致对紫外光的强吸收。迄今为止，只有如氮化硅（SiNx）、氧化铪（HfO2）、氧化锌（ZnO）和五氧化二铌（Nb2O5）等少数材料被用于制造紫外超构表面；然而，这些紫外超构表面的制造涉及厚层原子层沉积或高纵横比蚀刻等复杂的工艺。此外，在上述所有紫外超构表面中，电子束光刻（EBL）已被用于亚波长结构的高分辨率图案化。这些工艺导致器件成本高、产量低，限制了它们的大规模制造，从而给紫外超构表面的商业化带来了挑战。

基于此，本文提出了一种用于制造高效紫外超构表面（图1a）的一步法可打印平台，以克服低损耗紫外材料的稀缺性和高成本、低产量的制造限制。通过将二氧化锆（ZrO2）纳米颗粒分散在紫外固化树脂中，研究团队将ZrO2纳米颗粒嵌入树脂（nano-PER）开发为一种从近紫外（near-UV）到深紫外（deep-UV）具有高折射率和低消光系数的可打印材料。在ZrO2 nano-PER中，紫外固化树脂能够实现直接图案转移，ZrO2纳米颗粒提高了复合材料的折射率并保持了较大的带隙。利用这一概念，紫外超构表面可以通过纳米压印光刻法在一个步骤中完成制造。作为概念验证，文中通过实验演示了在近紫外（325 nm）和深紫外（248 nm）工作的超构全息图。

实现一步法可打印紫外超构表面的关键是开发一种在紫外区域具有高折射率（n）和低消光系数（k）的可打印材料。文中开发的ZrO2 nano-PER可用作具有高折射率的紫外透明可打印材料（图1b）。ZrO2 nano-PER具有6 eV的大带隙，导致其在紫外区域中的弱吸收（图1c）。

图1 由ZrO2 nano-PER构成的紫外超构表面的示意图及ZrO2 nano-PER的光学表征

研究团队采用严格耦合波分析（RCWA）模拟了由ZrO2 nano-PER构成的超构原子（meta-atom）的透射特性。为了实现具有宽带特性的全相位调制，他们使用了Pancharatnam-Berry相位（PB相位，也被称为几何相位）的概念，以物理实现所需的相位分布。PB相位使用了一种具有双折射的各向异性的超构原子（图2a）。

由于PB相位的宽带特性，为325 nm和248 nm紫外区域设计的超构原子在目标波长附近分别具有较高的效率和较低的零级效率（图2e, f）。由于ZrO2 nano-PER的消光系数较低，所设计的超构原子在紫外区具有较高的透过率和较弱的吸收。

图2 在近紫外和深紫外工作的高效超构原子的设计与模拟

图3a展示了基于ZrO2 nano-PER的紫外超构表面的一步法可打印平台的示意图。

图3 利用ZrO2 nano-PER的一步法可打印工艺制造紫外超构全息器件

研究团队设计了一幅简单的Fraunhofer全息图作为所设计的紫外超构表面的典型波前形状函数，并采用Gerchberg-Saxton（GS）算法提取高质量纯相位全息图的相位图。紫外超构全息图的光学设置如图4a所示。展示的全息图像与模拟图像非常匹配，并在近紫外（图4b, c）和深紫外（图4d, e）中显示出生动清晰的图像。

此外，研究人员通过实验测量了这两幅超构全息图的转换效率。为近紫外区域设计的超构全息图在λ = 325 nm时测得的转换效率为72.3%，而为深紫外区域设计的超构全息图在λ = 248 nm时测得的转换效率为48.6%。与之前报道的紫外超构表面相比，本文研究的基于ZrO2 nano-PER的超构表面具有更高的效率。

图4 紫外超构全息图的演示

综上所述，本文提出并验证了一种一步法可打印平台，在该平台上可以以低成本和高产量重复复制从近紫外到深紫外的高效超构表面。其中，单个ZrO2 nano-PER超构表面可在15分钟内完成制造，成本约为1.39美元。通过将ZrO2纳米粒子分散在紫外固化树脂中，研究团队将ZrO2 nano-PER合成为具有高紫外线透明度和高折射率的可打印材料。由于采用了紫外固化基体，由ZrO2 nano-PER构成的紫外超构表面可通过纳米压印光刻法一步完成制造，无需蚀刻和沉积等二次操作。

ZrO2 nano-PER的折射率足够高，能够很好地限制光线；其消光系数足够低，能够最大限度地减少吸收，从而实现高转换效率。设计的超构原子的模拟转换效率分别在λ = 325 nm和λ = 248 nm时达到88%和81%。作为概念验证，研究人员通过实验演示了在近紫外和深紫外工作的清晰生动的超构全息图，该全息图对于λ = 325 nm和λ = 248 nm时的转换效率分别为72.3%和48.6%。本文所提出的方法能够实现紫外超构表面的重复和快速制造，有望使其更接近现实生活。

审核编辑：刘清