據麥姆斯咨詢報道，近日，由韓國浦項科技大學（Pohang University of Science and Technology，POSTECH）、高麗大學（Korea University）等機構的研究人員組成的團隊在Light: Science & Applications期刊上發表了題為“One-step printable platform for high-efficiency metasurfaces down to the deep-ultraviolet region”的論文，提出了一種新的制造高效紫外（UV）超構表面（metasurface）的一步法可打印平臺，以克服低損耗紫外材料的稀缺性和高成本、低產量的制造限制。研究團隊將ZrO2 nano-PER開發為一種從近紫外到深紫外具有高折射率和低消光系數的可打印材料，使紫外超構表面可通過納米壓印光刻法在一個步驟中完成制造。

紫外光學在高分辨率成像、光譜學、量子光學、光刻和生物傳感等眾多應用中發揮著關鍵作用。到目前為止，紫外光的調制主要依賴于傳統的體積龐大的光學元件，這給緊湊型系統的集成帶來了困難。此外，傳統的紫外光學器件在功能性、多樣性和可制造性方面存在局限性。

為取代傳統的大體積光學器件，由亞波長結構陣列構成的超構表面已被廣泛研究，它們具有在納米尺度上調制光的特殊能力，并已被應用于超構透鏡（metalens）、生物傳感器、超構全息圖（metahologram）和彩色打印等眾多領域。然而，紫外超構表面長期以來一直面臨著挑戰，諸如缺乏紫外透明材料和低成本、高產量的高分辨率圖案化技術等。

用于超構表面的傳統高折射率材料通常具有窄帶隙，導致對紫外光的強吸收。迄今為止，只有如氮化硅（SiNx）、氧化鉿（HfO2）、氧化鋅（ZnO）和五氧化二鈮（Nb2O5）等少數材料被用于制造紫外超構表面；然而，這些紫外超構表面的制造涉及厚層原子層沉積或高縱橫比蝕刻等復雜的工藝。此外，在上述所有紫外超構表面中，電子束光刻（EBL）已被用于亞波長結構的高分辨率圖案化。這些工藝導致器件成本高、產量低，限制了它們的大規模制造，從而給紫外超構表面的商業化帶來了挑戰。

基于此，本文提出了一種用于制造高效紫外超構表面（圖1a）的一步法可打印平臺，以克服低損耗紫外材料的稀缺性和高成本、低產量的制造限制。通過將二氧化鋯（ZrO2）納米顆粒分散在紫外固化樹脂中，研究團隊將ZrO2納米顆粒嵌入樹脂（nano-PER）開發為一種從近紫外（near-UV）到深紫外（deep-UV）具有高折射率和低消光系數的可打印材料。在ZrO2 nano-PER中，紫外固化樹脂能夠實現直接圖案轉移，ZrO2納米顆粒提高了復合材料的折射率并保持了較大的帶隙。利用這一概念，紫外超構表面可以通過納米壓印光刻法在一個步驟中完成制造。作為概念驗證，文中通過實驗演示了在近紫外（325 nm）和深紫外（248 nm）工作的超構全息圖。

實現一步法可打印紫外超構表面的關鍵是開發一種在紫外區域具有高折射率（n）和低消光系數（k）的可打印材料。文中開發的ZrO2 nano-PER可用作具有高折射率的紫外透明可打印材料（圖1b）。ZrO2 nano-PER具有6 eV的大帶隙，導致其在紫外區域中的弱吸收（圖1c）。

圖1 由ZrO2 nano-PER構成的紫外超構表面的示意圖及ZrO2 nano-PER的光學表征

研究團隊采用嚴格耦合波分析（RCWA）模擬了由ZrO2 nano-PER構成的超構原子（meta-atom）的透射特性。為了實現具有寬帶特性的全相位調制，他們使用了Pancharatnam-Berry相位（PB相位，也被稱為幾何相位）的概念，以物理實現所需的相位分布。PB相位使用了一種具有雙折射的各向異性的超構原子（圖2a）。

由于PB相位的寬帶特性，為325 nm和248 nm紫外區域設計的超構原子在目標波長附近分別具有較高的效率和較低的零級效率（圖2e, f）。由于ZrO2 nano-PER的消光系數較低，所設計的超構原子在紫外區具有較高的透過率和較弱的吸收。

圖2 在近紫外和深紫外工作的高效超構原子的設計與模擬

圖3a展示了基于ZrO2 nano-PER的紫外超構表面的一步法可打印平臺的示意圖。

圖3 利用ZrO2 nano-PER的一步法可打印工藝制造紫外超構全息器件

研究團隊設計了一幅簡單的Fraunhofer全息圖作為所設計的紫外超構表面的典型波前形狀函數，并采用Gerchberg-Saxton（GS）算法提取高質量純相位全息圖的相位圖。紫外超構全息圖的光學設置如圖4a所示。展示的全息圖像與模擬圖像非常匹配，并在近紫外（圖4b, c）和深紫外（圖4d, e）中顯示出生動清晰的圖像。

此外，研究人員通過實驗測量了這兩幅超構全息圖的轉換效率。為近紫外區域設計的超構全息圖在λ = 325 nm時測得的轉換效率為72.3%，而為深紫外區域設計的超構全息圖在λ = 248 nm時測得的轉換效率為48.6%。與之前報道的紫外超構表面相比，本文研究的基于ZrO2 nano-PER的超構表面具有更高的效率。

圖4 紫外超構全息圖的演示

綜上所述，本文提出并驗證了一種一步法可打印平臺，在該平臺上可以以低成本和高產量重復復制從近紫外到深紫外的高效超構表面。其中，單個ZrO2 nano-PER超構表面可在15分鐘內完成制造，成本約為1.39美元。通過將ZrO2納米粒子分散在紫外固化樹脂中，研究團隊將ZrO2 nano-PER合成為具有高紫外線透明度和高折射率的可打印材料。由于采用了紫外固化基體，由ZrO2 nano-PER構成的紫外超構表面可通過納米壓印光刻法一步完成制造，無需蝕刻和沉積等二次操作。

ZrO2 nano-PER的折射率足夠高，能夠很好地限制光線；其消光系數足夠低，能夠最大限度地減少吸收，從而實現高轉換效率。設計的超構原子的模擬轉換效率分別在λ = 325 nm和λ = 248 nm時達到88%和81%。作為概念驗證，研究人員通過實驗演示了在近紫外和深紫外工作的清晰生動的超構全息圖，該全息圖對于λ = 325 nm和λ = 248 nm時的轉換效率分別為72.3%和48.6%。本文所提出的方法能夠實現紫外超構表面的重復和快速制造，有望使其更接近現實生活。

審核編輯：劉清