Advanced Materials:基于二维钙钛矿材料的平面光学透镜

具有高效光调制能力的超薄平面透镜是实现光学器件的微型化重要元器件。近年来,以金属材料超构表面为代表的新型微纳结构在平面透镜应用中展现出巨大的潜力。然而在实际应用中,由于损耗高、加工误差、色散等缺点, 基于金属超构表面器件的发展受到了一定的限制。为了克服本征损耗等限制,新型功能材料的设计使用与结构调控至关重要。

与传统半导体材料相比,金属卤化物钙钛矿材料具有超长的载流子扩散距离、可调的带隙和宽波段吸收、高光吸收系数、高荧光量子产率以及低加工成本等优势,在光电子器件领域具有非常广泛的应用前景。特别重要的是,1)钙钛矿材料折射率相对较高,可与环境形成较大的反射对比,这为光电子器件突破传统的衍射极限,实现亚波长调控提供可能;2)钙钛矿材料的光学性能可以通过组分变换或者电场操纵下的离子移动而进行精确调控,这为光子元器件光学参数的动态调控提供了一种全新的方法。

鉴于此,澳大利亚蒙纳士大学鲍桥梁教授、斯威本科技大学贾宝华教授及深圳大学张豫鹏研究员领导的联合研究团队在瑞利-索默菲尔德(Rayleigh–Sommerfeld)衍射模型基础上进行平面透镜的设计和分析,并通过一步法无掩膜激光直写构建了基于二维钙钛矿材料的平面透镜。这种厚度在纳米尺度(10 nm以下)的透镜可以有效调控入射光束的相位和振幅,从而实现在光束在亚波长尺度的有效聚焦(约为~9.5%的聚焦效率,3倍于二维石墨烯平面透镜),聚焦光斑可达到0.7λ的亚波长的量级。此外,钙钛矿材料的光致发光、光学折射率和吸收系数等光学特性可以通过材料尺寸和组分进行有效调控。因此,通过对钙钛矿材料尺寸和组分的精确调控可实现对平面透镜聚焦能力的有效调制。

这项关于二维钙钛矿平面透镜的工作将为钙钛矿高性能光学器件的设计和构建提供新的思路相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202001388)上,并于当期Back Cover亮点报道。