Sb?S?基可重構塔姆等離子體光子晶體研究進展：賦能可見光譜顯示技術突破

    在消費電子與光電子工程領域，實現“動態可調控、低能耗、大面積集成”的彩色濾光技術一直是行業研發的核心方向。從手機終端的互補金屬氧化物半導體（CMOS）圖像探測器，到虛擬現實（VR）、增強現實（AR）近眼顯示設備，傳統技術方案或受限于調控過程的不可逆性，或因依賴復雜光學耦合元件而面臨能耗偏高、系統集成難度大等問題。近期，大連理工大學光電子工程與儀器科學學院聯合香港大學物理與電氣工程領域研究團隊，提出將三硫化二銻（Sb?S?）相變材料與塔姆等離子體光子晶體（TPPCs）相集成的創新技術路線，為可見光譜可重構顯示技術突破提供了全新解決方案，相關研究成果為該領域的產業化應用奠定了關鍵基礎。

    一、技術核心：TPPs的結構優勢與Sb?S?的相變調控機制

    該技術的創新價值源于對兩大核心組件特性的精準把控與協同設計，即塔姆等離激元極化子（TPPs）的獨特光學性能，以及Sb?S?相變材料的動態調控能力。

    1.塔姆等離激元極化子（TPPs）：簡化集成的關鍵光子態

    TPPs是局域于“金屬層一維光子晶體”界面處的特殊光子態，其與傳統表面等離激元極化子（SPPs）相比，在器件設計與應用中具備顯著優勢：

    無需輔助耦合元件：SPPs通常僅能被特定偏振方向的橫磁波激發，且需依賴棱鏡、光柵等外部耦合結構才能實現有效激發；而TPPs可同時被橫磁波與橫電波激發，無需額外光學元件輔助，大幅簡化了器件結構，為設備小型化與系統集成創造了有利條件。

    優異的色彩過濾性能：通過調控TPPs所在界面的光學參數（如金屬層厚度、光子晶體堆疊周期等），可精準控制其反射光譜特性，能夠滿足彩色顯示技術對波長選擇性的核心需求，為實現高純度色彩過濾提供了基礎。

    2.Sb?S?相變材料：動態調控色彩的核心載體

    研究團隊的關鍵創新點在于將超薄Sb?S?層（厚度范圍1030nm）集成至TPPCs結構中，利用其相變特性實現色彩的可逆調控，具體機制如下：

    相變觸發方式：通過兩種溫和且可控的手段即可實現Sb?S?在非晶態（AM）與晶態（CR）之間的可逆轉換——熱激活方式（將材料加熱至543K~801K區間，促使非晶態向晶態轉變）與光激活方式（采用納秒激光脈沖將材料加熱至801K以上，隨后實施快速淬火處理，實現晶態向非晶態轉變）。

    色彩調控本質：Sb?S?在非晶態與晶態下的介電常數存在顯著差異，這種差異會直接改變TPPCs界面的光學響應特性，進而導致反射光譜發生約50nm的位移。該波長位移范圍恰好覆蓋可見光全譜段（400760nm），可實現從藍色到紅色的完整色彩切換，為動態可重構顯示提供了核心調控能力。

    二、實驗體系與性能驗證：穩定、靈活且低成本的技術方案

    為驗證該技術的可行性與實用性，研究團隊設計了精密的TPPCs器件結構體系，并通過一系列實驗測試與模擬分析，證實了其在穩定性、靈活性與成本控制方面的優勢。

    1.TPPCs器件結構設計

    器件以厚度為500μm的硅（Si）材料作為襯底，從下至上采用分層堆疊結構，具體組成如下：

    一維光子晶體基底：由五層交替堆疊的二氧化硅（SiO?）與硫化鋅（ZnS）構成，其中SiO?單層厚度為85nm，ZnS單層厚度為53nm，該結構為器件提供了穩定的光學干涉環境；

    Sb?S?相變層：厚度控制在10nm（基礎實驗樣品），是實現色彩動態調控的核心功能層；

    銀（Ag）覆蓋層：厚度為15nm，可增強TPPs的局域效應，提升器件的反射效率，保障色彩顯示的亮度與純度。

    2.關鍵性能驗證結果

    研究團隊通過傅里葉變換紅外光譜（FTIR）測試、時域有限差分法（FDTD）模擬、變角光譜橢偏儀（VASE）測試等多種手段，對TPPCs器件的核心性能進行了系統驗證，結果顯示其具備三大關鍵優勢：

    高循環穩定性：經過多次相變循環測試后，器件反射峰中心波長基本無漂移現象，表明Sb?S?相變層在反復轉換過程中性能穩定，有效解決了傳統相變器件“循環后性能衰減”的技術痛點，為長期可靠工作提供了保障。

    寬視角適配性：通過VASE測試發現，當觀察角度從0°增至80°時，非晶態與晶態下的器件色彩均保持穩定（圖4），該特性可滿足近眼顯示、大面積戶外顯示等場景對視角兼容性的需求，避免了傳統顯示技術中“視角偏移導致色彩失真”的問題。

    色彩多樣性與集成性：通過調整Sb?S?層厚度（3nm~30nm），可獲得不同的反射光譜，對應豐富的色彩效果（圖5）。研究團隊進一步利用磁控濺射技術，在同一TPPCs區域通過調控Sb?S?的相變狀態，成功制備出“七色花”圖案（圖6），非晶態與晶態下圖案呈現完全不同的色彩分布，驗證了多色集成與精細圖案顯示的可行性。此外，該制備過程無需光刻工藝，大幅降低了生產成本，為規模化生產創造了條件。

    三、應用前景：多領域賦能，推動光電子技術升級

    Sb?S?基可重構TPPCs技術憑借“低成本、低能耗、高兼容性”的核心優勢，在多個高價值領域展現出廣闊的應用潛力，有望推動相關光電子技術實現跨越式升級。

    1.下一代近眼顯示設備（VR/AR）

    近眼顯示設備對“低能耗、高分辨率、小型化”需求嚴苛。TPPCs器件的“非易失性”特性（相變狀態穩定，無需持續供電維持）可大幅降低設備運行能耗；納秒級的相變切換速度能夠滿足動態圖像顯示對響應時間的要求；無光刻工藝特性可有效降低像素制備成本，為高分辨率VR/AR眼鏡的普及提供關鍵技術支撐。

    2.高安全光學加密領域

    利用Sb?S?在非晶態與晶態下的色彩差異，可構建“隱蔽信息承載載體”：在非晶態下，器件呈現常規圖案；通過特定參數的激光觸發（促使Sb?S?向晶態轉變），可激活隱藏的色彩信息，實現信息的加密與解密。該特性適用于防偽標簽、軍事信息加密等對安全性要求較高的場景，為信息安全技術提供了全新的光學解決方案。

    3.CMOS圖像探測器優化

    當前CMOS圖像探測器的濾光系統多采用固定波長設計，難以適配復雜光環境下的成像需求。將TPPCs作為“可重構濾光片”集成至探測器中，通過調控Sb?S?的相變狀態，可靈活調整濾光波長，提升探測器對弱光、多光譜成像等場景的適應性，進一步拓展CMOS圖像探測器的應用范圍。

    大連理工大學與香港大學聯合團隊提出的Sb?S?基可重構TPPCs技術，不僅突破了傳統可見光譜顯示技術在調控可逆性、能耗控制與系統集成方面的瓶頸，更構建了“等離子體光子晶體”與“相變材料”跨界融合的創新技術平臺。該技術通過簡單的結構設計實現了“大面積、可逆化、低能耗”的色彩調控，同時兼顧規模化生產的成本優勢，為光電子領域的技術升級提供了全新思路。隨著后續研究在色彩純度提升、切換速度優化等方向的深入推進，Sb?S?基可重構TPPCs技術有望推動更多“輕薄化、低能耗、智能化”的光學設備實現產業化落地，為消費電子、信息安全、傳感檢測等領域的發展注入新動能。