可调控的光学钙钛矿超构表面

在过去几年的研究中,人们设计了等离子体超构表面,Si、Ge等高折射率材料的超构表面,并且实现了在平面透镜、全息成像以及结构色上的应用。为了克服材料本征的损耗,对制备材料的本身开始有了选择性,比如说TiO2、Si3N4、GaN等,也在消色差的透镜、全息投影成像以及彩色打印等功能器件上有了很成功的应用。然而,由于材料性能的相对稳定,这些元器件一旦制备出来光学性能通常是固定的,就很难实现加工后的调控了。卤化铅钙钛矿的快速发展为该领域的研究带来了新的机遇。与传统介质不同,卤化铅钙钛矿具有缺陷密度低、载流子扩散长度长、成本低等内在优势,同时它们的光学性能可以通过阴离子交换来进行调控。

哈尔滨工业大学(深圳),微纳光电信息系统理论与技术工信部重点实验室宋清海团队博士生张晨通过实验验证了基于MAPbX3钙钛矿的超构表面能够对可见光进行整个相位的调控。利用金属薄膜上的MAPbBr3方块阵列结构合理的分布, 通过结构尺寸的改变实现了相位从0到2π的覆盖,同时还有很高的反射效率。从而成功地实现了高效的偏振转换、异常反射和全息投影成像的功能。更有趣的是,MAPbX3钙钛矿的带隙可以通过阴离子交换对已经加工成型的结构性能进行可逆的调控,为具有异常反射和全息投影成像等功能的全介质元器件的动态调控提供了一种新方法。

为了降低钙钛矿的厚度,研究人员设计了反射模式下对相位控制的机构单元,设计并制备了基于金薄膜上MAPbX3钙钛矿的结构单元。通过改变结构单元尺寸来实现相位从0到2π的覆盖,而且整体的反射效率很高。在实验实现了结构器件异常反射的转化效率为45%、全息投影的偏正转换效率为22%,当然因为加工工艺以及钙钛矿薄膜质量的影响,研究人员预想用单晶块状的卤化铅钙钛矿代替多晶薄膜可以进一步提高转化效率。该项工作更重要的是,通过对MAPbX3光学特性进行可逆控制,证明了基于超构表面的异常反射和全息投影成像可以通过阴离子交换实现简单地“开”和“关”功能。此实验是第一个在可见光波段中设计和制备了动态可调控的全介质的超构表面。本研究还可以将钙钛矿的实际应用从传统的光电子扩展到动态异常反射、动态透镜、动态全息投影等元器件。它为实现动态的超构表面和动态的超构器件开辟了一条新的途径。

相关结果发表在Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.201900079)上。