宁波材料所在双曲等离激元材料研究方面取得进展

等离激元光子学(plasmonics)是目前材料科学、凝聚态物理、纳米光子学等多学科交叉的前沿领域之一。等离激元(plasmon)通常指固体中自由电子集体振荡的量子化，是凝聚态物理中最基本的几种元激发之一。等离极化激元(plasmon polariton)是指光子与等离激元耦合形成的一种特殊电磁模式，是一种半光子半电子的准粒子，是极化激元(polariton)中的一种(还有声子极化激元、激子极化激元等)。等离激元可以将光场局域到纳米尺度，突破阿贝光学衍射极限，增强光子-电子-物质的相互作用，为纳米尺度光子的精确调控提供有效手段，对光电器件的纳米尺度集成、光子芯片、电催化与光催化都具有重要意义。
 
　　双曲等离激元是等离极化激元的一种，其等频面为双曲型，具有双曲光学色散行为(表现为平行与垂直于各向异性轴的介电常数满足 ε‖'·ε⊥'<0的关系)，通常只存在于光学各向异性材料中，如双曲超材料(Hyperbolic Metamaterials)。
 
　　双曲光学色散会产生很多神奇的物理现象，例如理论上可以达到无穷大的动量、无限高的光场局域能力以及极大的光子态密度等，在超高分辨成像、负折射率、光学隐身、光子态密度调制、增强自发辐射、拓扑光子学、非线性光学等前沿光学领域发挥着重要作用。近年来，随着柔性电子学与等离激元光子学的融合发展，对于柔性等离激元材料与器件的研究已经成为学科的一个前沿热点。尽管光学双曲超材料的研究已取得了长足进展，但是兼具大尺寸(如晶圆级)、高热稳定性、高柔性、高单晶性的双曲超材料的研究仍进展缓慢。
 
　　针对上述挑战，中国科学院宁波材料技术与工程研究所纳米实验室张如意助理研究员、曹彦伟研究员等，利用自主研制的磁控溅射外延系统(专利CN 217324268U、CN 212365927U)，在前期的研究基础上(ACS Photonics 8, 847 (2021), ACS Appl. Mater. Interfaces 13, 60182 (2021))，提出了在柔性氟晶云母衬底(F-mica)上外延生长TiN/ScN超晶格以构建柔性单晶双曲超材料的思路(如图所示)，发展了一种制备2英寸、难熔、柔性、单晶等离激元材料与器件的方法。与中科院物理所张庆华副研究员、谷林研究员合作，利用高分辨透射电镜揭示了材料原子尺度的结构。与宁波材料所纳米实验室的高俊华副研究员、曹鸿涛研究员合作，通过椭偏光谱仪确认了材料的光学双曲性质。
 
　　该柔性TiN/ScN超晶格不但在可见光与近红外光谱范围内都具有光学双曲色散行为，还表现出超低介电损耗，具有可媲美刚性单晶双曲超材料的高品质因子。更重要的是，其热稳定性(>1000℃)和力学稳定性(>1000次弯折)远超由贵金属/介质多层膜构建的双曲超材料，例如由贵金属/有机介质多层膜构建的柔性双曲超材料的工作范围一般小于100℃。
 
　　该工作发展了一种构建高性能、高稳定性等离激元材料与器件的新方法，有望拓展柔性等离激元光子学与纳米光子学器件的应用范围。相关成果以“Flexible but Refractory Single-Crystalline Hyperbolic Metamaterials”为题发表在国际期刊Nano Letters上(DOI：10.1021/acs.nanolett.3c00512)。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、宁波市重点研发计划等项目的支持。

图a.基于TiN/ScN 超晶格的柔性单晶双曲超材料概念图；b.2英寸双曲超材料；c.柔性单晶双曲超材料制备流程；d.透射电镜图；e.光学品质因子；f.1000℃高温稳定性; g.可见光与近红外波段光学双曲色散行为