基于相变材料Sb₂S₃的可重构等离激元超表面 | 进展

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相变材料Sb₂S₃因其在近红外波段具有低光学损耗和非易失性相变等特性，为动态可调超材料的设计提供了新的材料选择。利用电驱动相变材料的相态转变，可实现对超表面光学响应的精确、可逆和快速调控。但Sb₂S₃的高结晶温度（约270°C），为其电热驱动相变过程带来了挑战，尤其在实现可逆相变与光学性能精确调控方面亟待突破。

近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件实验室N10课题组针对Sb₂S₃的高相变温度特性，设计了一种电驱动的可重构等离激元超表面，实现了近红外波段非易失性、可逆且快速的光学调制。

图1.（a）、（b）电可重构等离激元超表面的示意图；（c）超表面的SEM图；（d）电调控超表面的测试吸收谱。

研究团队设计的等离激元超表面采用“金属-绝缘体-金属”三明治结构（图1（a）、（b）），通过电脉冲驱动的微型加热器调控Sb₂S₃相态，在O-S通信波段（1300-1500nm）实现了表面等离激元共振波长的动态调制。结果表明，所设计的电驱动微型加热器可在30μm×30μm区域内对60nm厚Sb₂S₃薄膜实现可逆相态调控（图1（c）），并有效驱动金光栅结构的光学响应，吸收峰出现了显著红移（1109nm→1206nm）（图1（d））。此外，通过引入Al2O3间隔层与Ti过渡层，有效抑制了光栅结构的热致熔融形变，为高稳定性可重构光子器件的研制奠定了基础。

本研究为研制新型可重构光子器件提供了技术路径，在动态光学成像、可编程光子计算及自适应光电探测等领域具有重要应用潜力。该研究成果以“Electrically Reconfigurable Plasmonic Metasurfaces Based on Phase Change Materials Sb2S3”为题发表于Nano Letters，25，7435（2025）。中国科学院物理研究所联合培养研究生韩卓轩为第一作者，中国科学院物理研究所顾长志研究员和河南工业大学胡莎博士为共同通讯作者。该研究受到国家自然科学基金委、中国科学院以及北京凝聚态物理国家研究中心的项目资助。