浙大团队研发可编程光谱像素矩阵，开关速率达70kHz，在可见光波段实现时空灵活调控的光谱复原
近日，浙江大学团队打造出一种可调光谱像素矩阵，其具备超耐用、可编程、超快操作等优势。
基于此，他们研制出一种更加接近理想标准的可调光子器件，从而能够满足日益增长的微纳光子学需求。
（来源：Nature Nanotechnology）
在应用前景上：
首先，本次成果能被用于高光谱成像。
当前，人们对于相机的要求，不再局限于清晰度、像素个数、画幅大小等常见参数。
而是希望这款相机不仅能拍出颜色丰富的画面，还能得到颜色背后的更多信息。事实上，人们已经造出了这种相机，它便是高光谱相机。
基于先进的成像技术，高光谱相机可以同时捕捉物体的空间信息和光谱信息，从而能够用于环境监测、农业测量、城市规划和生医诊断等领域。
以生医应用为例，当将高光谱探测技术和成像芯片加以结合，即可用于内窥镜、以及微小型的床边即时检验。而这些领域正是本次成果的用武之地。
其次，本次成果有望用于制造动态彩色电子纸。
1975 年，美国施乐公司率先提出电子纸的概念。20 世纪 90 年代，来自美国麻省理工学院的科学家开发出一种更加现代的电子纸 E Ink，目前该电子纸已被用于 Kindle 等电子阅读器。
这种纸不仅功耗比较低，并且在各种光照条件之下都很方便读者阅读。
但是，目前这类显示设备大都采用主动发光的方式，这就必须持续不断地消耗能量。
同时，此前的电子纸技术在刷新和色域上，仍然存在响应速度较慢、色域较窄等问题，导致视频级彩色电子纸无法得到广泛应用。
而本次成果兼具较高的刷新速率和较宽的色域，故将在电子纸领域取得较大应用。
（来源：Nature Nanotechnology）
可调器件的“理想国”
该课题组表示：自从学界提出负折射率材料开始，许多学者开始研究一种人工结构材料并将其称之为超材料。
这种材料可以实现并不存在于自然界的负折射率特性，进而能够实现许多自然界中所不存在的性能。
然而，光学器件的厚度依然较厚，导致应用场合十分受限。后来，又有学者提出等效菲涅尔定律，让超材料厚度得以便薄。
即从之前“笨重”的超材料，发展成为仅有几百纳米甚至仅有几十纳米的“超表面”。
一根头发丝的粗细大约为 100 微米，而超表面的厚度是头发丝的百分之一，可见其厚度之小。
在超表面发展的二十年间，人们研究了不同的微纳结构和微纳表面，针对光的幅度、相位、偏振和角动量等实现了良好调控。
但是，目前大多数器件的功能依然比较固定。一旦制造出来，它仅能满足某一种特定需求，这大大削弱了超表面的实用性。
因此，学界开始探索如何将微纳器件进行多功能化，即让一款器件能够同时满足多种需求。于是，针对可调器件的研究应运而生。
可调器件，是指通过改变电、光、热、磁、力等外部条件，让器件的响应发生变化。最常见的可调器件便是液晶显示屏，它的可调性体现在其能呈现出不同的图像。
不过，在微纳光学领域由于功能的特异性、以及器件的小型化，导致很难打造一款性能良好的可调器件。
对于一款理想的可调器件来说，它要能够同时满足固态结构、高速开关、大调制能力、多切换次数、高可扩展性、以及像素级可编程性等要求。
在现有可调方式之中，主要有液晶、相变、电光效应、载流子注入、微机电系统和电化学反应等。
这几种方式各有利弊，因此如何平衡它们之间的优缺点，打造一款理想的可调光子器件，成为领域内的难题之一。
（来源：Nature Nanotechnology）
前期挫折哺育后期研究
而在多种可调性材料之中，该团队决定选择使用相变材料来实现可调功能。
相变材料具有许多优点：
其一，它在相变前后的光学性质和电学性质变化较大，故能以更薄的厚度产生更大的光学响应。
其二，它的制备工艺非常简单，只需通过溅射便可实现制备，能够确保实验的重复性和一致性。
其三，它的响应频率较大。
无论是锗锑碲合金相变材料还是二氧化钒相变材料，它们都能在高于 GHz 的工作频率之下发生相变，能为高速度可调器件带来更广阔的应用前景。
在这两种相变材料之中，该团队一开始选择了锗锑碲合金。主要原因有二：
首先，在相变前后锗锑碲合金的折射率变化非常大。并且，通过不同的材料配比，其工作波长能从可见光波段跨越到中红外波段。
其次，锗锑碲合金的相变切换十分迅速，能在数纳秒时间之内发生相变。
然而，要想实现锗锑碲合金的相变，通常需要使用热板和激光进行加热，这往往会用到大型的昂贵设备，因此很不利于器件的小型化和集成化。
于是，课题组开始考虑这样一个问题：如何在电信号的帮助之下，让相变材料发生相变？
假如可以达成这一目标，就能让器件兼具电可调、和大幅度调制的能力。
而锗锑碲合金的相变非晶化过程，需要十分苛刻的条件，在升温至 700℃的同时，要以 10^9℃/s 的速率进行降温，这让本次研究一度因此遭遇瓶颈。
此时，恰逢两篇关于锗锑碲合金相变材料的高水平论文的发表 [1]，为该团队送来了“及时雨”。
通过借鉴上述论文、以及改善设备和调整测试条件，又经过数次器件迭代之后，他们终于实现了锗锑碲合金相变材料的非晶化。
（来源：Nature Nanotechnology）
然而，实现非晶化并不意味着研究圆满完成。这时的器件在开关 2-3 个来回之后就会损坏。
此时，如何提高切换次数——成为了他们新的研究目标。然而，完成新一轮的器件迭代之后，尽管切换次数有所提高，但是仍然无法达到满意效果。
这时，领域内的几篇新论文引起了他们的关注 [2]，这些论文也提到了一种由锗锑碲合金打造的相变材料器件，其循环次数也只有 1000 次左右。
于是，他们想到了前面提到的另一种相变材料二氧化钒。它比锗锑碲合金有着更高的循环次数，但是大多数基于二氧化钒的光学器件的切换速度非常慢，一般只有 ms 量级。
为此，课题组又定下了另一个新目标：将基于二氧化钒的光学器件切换速度提升至新高度。
随后，他们为材料制备和材料表征做了大量工作，同时尽最大能力实现二氧化钒相变材料的重复制备，以及确保它的稳定性。
与此同时，他们将研究锗锑碲合金的经验迁移至二氧化钒的研究上。
通过改变基底对于器件散热的影响，将器件的开关频率提升至 70kHz，这比电可调相变材料器件提升了将近两个数量级。
进一步地，他们分别实现了微型显示应用和计算光谱复原应用。
二氧化钒在相变前后，会发生巨大的光学性质变化。同时，它所拥有的众多稳定的中间态，使其非常适合用于光谱调控。
在样品制作中，涉及到制备行列电极这样一个关键步骤。这一步骤要求在行列寻址电极中，必须保证每一个器件都能正常工作。
当课题组使用显微镜观察样品时，发现整个样品非常干净没有任何脏点和缺陷，电极也非常明亮清晰。
“当时我们感叹它真的很像一个美妙的艺术品。这时我们都认为实验一定会成功，然而测量之后却发现事与愿违，器件性能仍然没有达到预期目标。”该团队表示。
于是，他们只能针对每一步工艺和每一层材料再次进行详细复盘，结果发现是因为绝缘层没被覆盖好，导致了器件性能的下降。
通过进一步地摸索绝缘层生长参数，并重新制作样品之后，器件不仅继续保有视觉美感，同时还实现了卓越性能。
基于此，该团队打造出一款可编程、可高速切换的微型显示器，并研发出一款可定制的计算光谱探测芯片。
“总而言之，前期研究锗锑碲合金相变材料的经验和挫折，哺育了我们的后续研究。因此，只要坚定信心，脚踏实地地研究，最终也会到达终点。”研究人员表示。
日前，相关论文以《耐用的可编程超快光谱像素纳米光子矩阵》（Durable and programmable ultrafast nanophotonic matrix of spectral pixels）为题发在 Nature Nanotechnology（IF 38.1）。
图 | 课题组成员（来源：课题组）
浙江大学博士后郭庭彪和博士生张智是共同一作，浙江大学何赛灵教授担任通讯作者 [3]。
图 | 相关论文（来源：Nature Nanotechnology）
不过，本次研究主要聚焦于研究可见光波段。后续，他们打算将研究拓展至近红外波段和中红外波段，以便更好地用于气体检测和临床筛查检测。
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