聚焦离子束，《Advanced Materials》！一e测试

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聚焦离子束，《Advanced Materials》！

2023-09-07 09:08:51 0 215

一、研究背景

具有创新工程性能的光学材料有潜力为未来应用提供有吸引力的功能。光学材料被大量研究的途径之一是在纳米光子学和光电子中数据存储和显示设备的潜在应用。近年来，在高反射表面上涂覆有损薄膜的强干涉效应的成功应用，引领了纳米光子学的发展。对未来显示设备的应用，一个有吸引力的特征是结构随入射角变化的反射率变化很小。研究人员在结构颜色生成方面投入巨资，以减少当前成熟显示设备的功耗和像素密度缩放问题。

事实上，已经报道了利用法布里-珀罗腔和金属超表面来产生生动和宽色域的结构色。尽管成果突出，但从静态系统转向动态可重构模块似乎很复杂。动态可重构光学设备方面取得的一些进展，涉及相变材料（PCMs）的化学反应、液晶和结构变化过程中调谐活性材料的光学特性。相变材料迅速成为动态可重构光子学的焦点，包括结构颜色生产和未来显示设备应用。PCMs不同相之间的光学对比度和相间的切换能力，使PCMs适合基于反射率的应用。此外，产生部分结构状态和调节反射状态的能力有望向动态显示设备迈进。

多项研究已表明，通过使用激光脉冲、电触发和离子束，相变材料可以部分结晶/非晶化。PCMs局部结晶/非晶化，和由此发生的反射率变化，会产生了多种状态和光学对比，对未来的动态显示设备具有重大的应用潜力。尽管分辨率远高于当前的显示设备，但像素大小受限于局部可切换结构尺寸。

二、研究成果

近日，荷兰格罗宁根大学Daniel T. Yimam团队通过使用聚焦离子束来进一步减小光斑尺寸，并显著提高像素密度，显示出卓越的分辨率。此外，溅射材料的能力可用于产生具有相对高度差和局部对比度的纳米结构。实验使用一种典型的相变材料Sb₂Se₃，该材料是通过脉冲激光沉积在反射金衬底上制备的。研究表明，可通过FIB铣削/溅射纳米级相变材料来产生结构色，并实现反射率调谐。此外，还表明了通过FIB对相变材料进行局部结构化，可产生具有优异分辨率的高像素密度显示设备。

相关研究工作以“3D Nanostructuring of Phase-Change Materials Using Focused Ion Beam Towards Versatile Optoelectronics Applications”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。

三、图文速递

图1. 脉冲激光沉积Sb₂Se薄膜的结构和光学分析

图2. 在反射金基板上Sb₂Se₃薄膜的反射异质结构设计

图3. 使用数字灰度值对薄膜厚度与FIB铣削/溅射功率进行校准

图4. 使用聚焦离子束（FIB）对灰度图像进行超分辨率纳米打印

图5. 多深度超分辨率成像和可变横向维度对比形成的附加自由度

四、结论与展望

这项研究展示了相变薄膜的局部纳米结构，以创建结构颜色和生动的对比度，用于使用FIB形成高分辨率动态图像。通过控制材料的铣削/溅射，表明可以在不同的横向尺寸下产生高度差异。并且，还可通过获取异质结构设备（由反射金层上的相变Sb₂Se₃膜组成）的反射率随厚度的变化来局部生成结构色。结果发现，结构颜色的变化可产生极小像素大小的对比度，从而产生具有极高PPI值的高分辨率图像。此外，通过线性改变FIB的铣削功率，可以在整个膜厚度上调制对比度。通过这种方式，可实现对比度级别和结构颜色的任何可用组合。该项工作将作为一个主要例子，开启对未来动态显示设备的研究。该研究方法可用于各种可重构的光电子应用，如超透镜、光学傅立叶表面、光子学集成电路等。

文献链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202303502

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