钛酸锶薄膜革新红外成像技术,显著提升成像分辨率

据麦姆斯咨询介绍，美国北卡罗莱纳州立大学（North Carolina State University）的研究人员发现了一种特殊的薄膜可以“束缚或压缩”红外光。这一发现对于开发新一代红外成像技术具有重要意义。该研究成果已发表于Nature Communications期刊。

这种薄膜相比块体晶体能更好的束缚红外光，而块体晶体已是成熟的红外光束缚技术。该新型薄膜保持了所需的红外频率，但压缩了波长，使成像设备能够以更高的分辨率捕捉图像。

该研究共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程系助理教授Yin Liu说：“我们已经证明可以将红外光波长压缩至10%，同时保持其频率，这意味着一个波长循环所需要的时间相同，但波峰之间的距离更近。而块体晶体技术可将红外光波长压缩至97%左右。”

该研究共同第一作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程系助理教授Ruijuan Xu说：“这种特性以前只存在于理论上，但我们通过制备薄膜的方法和创新地利用同步加速器近场光谱，首次在实验中证明了这一点。”

在这项研究中，研究人员使用了过渡金属钙钛矿材料。他们利用脉冲激光沉积技术，在真空室中生长出100纳米厚的钛酸锶（SrTiO3）晶体膜。这种薄膜由于具有高质量的晶体结构，因此几乎没有缺陷。之后，将薄膜置于硅衬底的氧化硅表面，再与生长在其上的衬底分离。

SrTiO3薄膜的制备和结构表征

随后，将钛酸锶薄膜暴露在红外光下，研究人员在劳伦斯伯克利国家实验室使用了同步加速器近场光谱仪。这样，研究人员就能记录这种材料与红外光的纳米级相互作用。

要充分理解研究人员的发现，需要深入了解声子、光子和极化子。声子和光子都是穿过材料的能量载体。

声子是原子振动产生的波，本质上代表声能。光子则是电磁波，代表光能。声子极化子是红外光子与光声子（一种能发射或吸收光的声子）相互作用时产生的混合准粒子。

理论文章提出，过渡金属钙钛矿氧化物膜可以允许声子极化激元束缚红外光。而我们的研究证明，声子极化激元确实能束缚光子，并能防止光子向材料表面外扩散。

Yin Liu表示：“这项成果构建了一类新的光学材料，可以控制红外波长的光，这在光子学、传感器和热管理方面具有潜在的应用价值。例如，可以想象在设计计算机芯片时，利用这些材料将热量转化为红外光，从而达到散热的目的。”

Ruijuan Xu说：“这项研究令人兴奋，因为我们所展示的制造这些材料的技术，意味着薄膜可以很容易地与各种衬底集成，意味着可以很容易地将这些材料集成到许多不同类型的器件中。”