超构光学领域的重要突破：基于低折射率材料的超构表面优势
2026-03-29 22:53:15 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

这项研究成果凸显了基于低折射率材料的超构表面优势，为实现可规模化量产且对制造误差具有鲁棒性的平面光学技术，开辟一条全新的途径。

这项研究成果凸显了基于低折射率材料（例如二氧化硅）的超构表面优势。

据麦姆斯咨询报道，近期，美国哈佛大学实验室的一项意外发现，带来了一项突破性的见解：一种非常规材料——二氧化硅（SiO₂），可用于制造光学超构表面。超构表面（Metasurfaces）是一种超薄的平面结构，能够在纳米尺度上对光进行调控，目前已开始取代传统的透镜、反射镜等光学元器件。

这项最新研究成果以“Silica Meta-Optics: When High Performance Does Not Need a High Index”为题，发表于Nano Letters期刊，由哈佛大学Federico Capasso教授领导的团队，与里斯本大学Marco Piccardo教授领导的团队共同完成。他们发现，在某些特定情况下，二氧化硅完全可以用于制造超构表面；尽管此前人们长期持有一种固有观念，即二氧化硅因为折射率问题而无法用于超构光学器件。

哈佛大学Federico Capasso教授领导的团队是全球最早一批探索可见光波段超构表面所蕴含的非凡物理特性，并致力于挖掘其巨大潜力的先驱力量，揭示了超构表面在摄像头/相机、传感器、显微镜以及通信系统等各类领域的革命性潜力。

传统观念：高折射率材料更胜一筹

随着超构光学领域的蓬勃发展，业界普遍认为某些特定类别的材料更适合用于纳米尺度的光调控。其中最受青睐的，当属那些具备“高折射率”特性的材料——即那些能够显著减缓并弯折光传播，从而实现对光相位进行全面调控的材料。二氧化钛（TiO₂）便是其中的热门之选，因为它不仅具有良好的透光性，且对光的吸收率极低。硅（Si）也是另一备受推崇的材料，这归功于其极高的折射率和成熟的制造工艺。

然而，另一种同样具有透光性且广为人知的材料——二氧化硅（SiO₂），此前在超构表面制造领域却普遍被视为“非理想之选”。究其原因，在于二氧化硅的折射率相对较低，换言之，它对光的调控作用显得较为“温和”。但事实证明，二氧化硅其实蕴藏着诸多诱人的独特优势：它不仅能够承受高功率激光的照射而毫发无损，并且与大规模芯片制造工艺完全兼容。

在一次实验中，该论文的第一作者Luca Sacchi正聚精会神地对由二氧化硅材料制成的超构表面样品进行测量与检测。他注意到，尽管这些样品存在大量制造缺陷，却依然在多个波长范围内下表现得“异常出色”，其功能甚至类似于传统透镜。Luca Sacchi表示：“这有点奇怪，也出乎意料！如果换作高折射率材料（例如二氧化钛）来做同样的事情，其表现就会截然不同。”

这是一幅在哈佛大学制备的“非完美”二氧化硅超构表面的扫描电子显微镜（SEM）图像，可以看到其最终形成的纳米柱形状并未呈现预期的圆柱体几何结构。

为了深入探究这种“非完美”二氧化硅超构表面的特性，Luca Sacchi与里斯本大学Marco Piccardo教授（他是Capasso课题组的前成员）展开了合作，Piccardo团队专精于一种特定的纳米级制备工艺，能够按照精确设计要求来制备二氧化硅超构表面。

在与里斯本大学的合作伙伴共同制备了实验样品，并在哈佛大学的实验室中进行测试之后，研究人员得出了一个结论：像二氧化硅这类低折射率材料拥有一项隐秘的特性——只要对每个纳米柱的几何形状进行精心的设计，它们同样能够很好发挥出超构表面的功能。

Sacchi表示：“此外，我们开始确切地理解，在这些光学超构表面的设计中，究竟在何种情况下应当选用低折射率材料，而非高折射率材料。”

基于低折射率材料的单模纳米柱

研究人员在Nano Letters期刊上发表的论文指出，低折射率——即那些对光的折射作用较弱的材料——在某些情况下甚至可以优于传统上广泛使用的高折射率材料。究其原因在于，在像二氧化硅这类低折射率材料中，每一个经刻蚀形成的纳米柱仅支持一条单一且“纯净”的光传输路径。

基于低折射率材料的超构表面的关键优势

在这种“单模（single-mode）”工作机制下，由于光不会分裂为多条路径，从而避免了不同光模之间相互干涉的问题；正因如此，研究人员得以实现预期的光相位分布与透射效果。这一研究成果意味着，利用低折射率材料，研究人员能够高效地设计出对器件特征尺寸要求更为宽松的超构表面——具体而言，即纳米柱的宽度可以更宽，且纳米柱之间的间距相对于光波长而言也可以更大。

在考量超构表面在实际场景中的应用时，这一点至关重要：在某些情况下，如果二氧化硅超构表面能够发挥出最佳性能，那么便可利用光刻等标准工艺对其进行制备，而无需依赖成本更高、耗时更长的电子束光刻。这不仅有助于降低制造成本，还能够更容易地融入现有的芯片制造流程。研究人员还指出，二氧化硅超构表面对制造误差的容忍度更高，这进一步凸显了其在商业化器件应用方面的巨大潜力。

Piccardo表示：“我们在此重点强调的二氧化硅超构光学器件所具备的优势，此前在一定程度上遭到了忽视，其主要原因在于纳米制造领域曾面临着重大的技术瓶颈。如今，随着我们已掌握了刻蚀出具有垂直侧壁的高纵横比纳米柱的技术，我们便能充分利用这一‘低折射率平台’的优势，并发挥其在多种前沿光学应用中的潜力。低折射率超构表面天生具备两大关键优势：一是无需进行复杂的色散工程设计，即可呈现出宽广且性能优异的色散响应；二是具备对制造误差的鲁棒性——而这正是我们最初怀着好奇心所致力于探究的核心问题。”

这是一幅在里斯本大学制备的二氧化硅超构表面SEM图像，其纳米柱结构高而规则，呈理想的圆柱形，并且未观察到明显缺陷。