Small:构造柔性相变材料实现电调控的红外吸收柔性超构器件

相变材料(如锗锑碲合金材料和二氧化钒材料等)和光学超构材料与超构表面的结合是实现可动态调控光学超构器件的方法之一。这些相变材料的制备和应用往往需要高温的退火条件。例如,锗锑碲合金的重非晶化过程需要将其加热至高于800 K的熔融状态并快速降温;二氧化钒的合成通常也需要高于723 K的高温退火条件。这使得锗锑碲和二氧化钒的光学薄膜需要被制备在玻璃、硅片、石英以及蓝宝石等高温稳定的刚性衬底上,难以被直接应用于柔性光学超构器件。之前关于柔性超构器件的报道中,人们常采用聚合物(如聚二甲硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯等)作为柔性衬底,使器件具有良好的机械柔性同时能够稳定地在弯曲状态下工作。然而,这些聚合物材料通常在高温条件下会发生热裂解或高温玻璃化转变现象,仅能在500 K以下保持性质稳定。而这样的温度条件远低于相变材料合成或工作所需要的退火温度。因此,直接将相变材料制备在有机柔性衬底上以实现平滑且均匀的柔性相变材料颇具挑战性。

最近,南京大学彭茹雯教授和王牧教授研究组将相变材料二氧化钒薄膜和柔性云母薄片相结合,借助云母薄片良好的高温稳定性和原子级平整的表面,自主研制了平整、致密且性能稳定的柔性相变材料,并且证实了该相变材料具有良好的机械柔性。论文作者分别为南京大学的王嘉楠、熊波、彭茹雯(通讯作者)、陈超为、侯本颀、陈超为、刘雨和南京大学/美国物理学会的王牧(通讯作者)。

作为构造柔性光学超构器件的一个示例,这些研究人员利用该柔性相变材料进一步设计和制备了基于“金属-柔性相变材料-金属”亚波长结构的柔性电调控红外吸收超构器件。在外加电流控制下,柔性的二氧化钒薄膜发生金属-绝缘体相变,使得该超构器件的红外吸收率能够实现在20%至90%之间动态变化。同时,这种电调控红外吸收率变化的动态调控功能可以在器件处于弯曲状态时依然保持稳定。为了进一步表征器件的弯曲耐久性,研究人员还将超构器件重复弯曲直至1500次,实验上没有观察到明显的器件功能改变。该项研究丰富和拓展了柔性材料体系,创新地构造出了基于柔性相变材料的电调控柔性超构器件,为研制同时兼有机械柔性和电调控性能的动态光学器件提供了新的研制思路,有望在构造可调控保角光学超构器件、动态隐身器件和电调控可穿戴器件中展示宽阔的应用前景。

论文信息:

Flexible Phase Change Materials for Electrically-Tuned Active Absorbers

Jia-Nan Wang, Bo Xiong, Ru-Wen Peng,* Cheng-Yao Li, Ben-Qi Hou, Chao-Wei Chen, Yu Liu, Mu Wang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202101282

文章链接:https://doi.org/10.1002/smll.202101282