圖1.(a)飛秒激光誘導GST改性納米光柵的寫入、調制、擦除和再寫示意圖。(b)不同階段的 GST表面的光學顯微圖像。比例尺:10微米。(c)帶有信息隱藏的彩色動態顯示

微納光子結構的動態可調諧性是實現下一代智能光子器件的關鍵。傳統光學器件一旦制備完成，其結構與功能便難以改變，嚴重制約了其在動態成像、信息加密、可重構光學系統等前沿領域的應用。相變材料(PCM)如Ge2Sb2Te5(GST)因其非易失、可逆的相變特性，為動態光子學提供了理想平臺。然而，現有研究多聚焦于其介電常數調控，而對其在相變過程中伴隨的顯著體積變化(密度變化約6.5–8.2%)所引發的結構重構潛力尚缺乏系統探索。

針對這一挑戰，北京理工大學姜瀾院士、韓偉娜研究員團隊獨辟蹊徑，提出了一種基于飛秒激光打印的GST納米光柵可逆結構調控新方法，實現了從“性能調控”到“結構重構”的跨越。該成果以《Reversible Structural Modulation of Ge2S2Te5-Modified Nanogratings via Femtosecond Laser Imprinting for Dynamic Photonic Applications》為題，發表于《ACS Photonics》。研究首次系統利用GST相變過程中的宏觀體積效應，而非傳統的介電常數變化，作為結構驅動的物理根源，結合飛秒激光的高精度加工優勢，實現了納米光柵幾何形貌的可逆、精準調控。

與傳統依賴介電常數調控的策略不同，該方法直接利用GST相變誘導的密度變化，實現了光柵周期、線寬與取向的靈活調制。通過精確控制激光能量、偏振與掃描參數，研究團隊成功制備出具有偏振選擇性與角度依賴性的結構色光柵，并在此基礎上實現了雙圖案存儲、多維信息加密與動態刷新數字顯示等多種功能。

圖2.動態刷新數字顯示。(a)GST改性納米光柵結構擦除與重寫的示意圖。(b)多次寫入與擦除的光學顯微鏡檢測結果。(c)在自然光下拍攝的數字顯示圖像。(d)至(m)數字0至9的動態刷新數字顯示。(n)至(r)在不同光照條件下數字9的動態顏色。

研究團隊進一步結合超快泵浦-探測光譜與高分辨透射電鏡，首次清晰揭示了GST改性納米光柵在循環相變過程中的微觀結構演化機制：

●首次寫入階段以均勻成核為主，形成沿[001]方向生長的大尺寸晶粒(約40 nm)。

●在擦除-再寫入循環中，成核機制轉變為非均勻成核，晶粒顯著細化至5–10 nm，并伴隨晶向從[001]向[011]的系統性轉變。

●擦除過程極為迅速，可在50 ps內完成非晶化，展現了超快激光調控的獨特優勢。

研究同時發現，循環過程中持續的晶粒細化、晶格重組與缺陷積累共同導致了結構性能的漸進式退化，這一機制性發現為今后設計高耐久性、長壽命相變器件提供了關鍵的理論依據和優化方向。

圖3. 改性納米光柵相變過程的微結構演化與擦除動力學。(a) 顯示約580納米周期性的初級改性納米光柵截面圖。(b) 圖(a)黃色區域的高分辨透射電鏡圖像，顯示出[020]晶帶軸(d=3.01埃米)的(001)取向晶面與相鄰[111]取向晶粒(d=3.48埃米)。(c) 擦除后重寫的改性納米光柵，周期減小至490±20納米。白色箭頭指示"多孔"基質中的氣泡缺陷。(d) 高分辨透射電鏡顯示首次寫入的40納米晶粒在重寫后碎裂為5-10納米、具有(011)晶面的小晶粒。(e) 飛秒激光泵浦探測技術捕捉的擦除過程瞬態光學顯微圖像(黑色虛線輪廓表示高斯光束輪廓)。(f) 從(e)提取的空間-時間分辨相對反射率(ΔR/R)圖譜。(g)改性納米光柵相變循環過程的時空分辨示意圖。

該研究不僅提出了一種基于體積效應的結構調控新范式，更通過揭示其背后的相變微觀機制，為可重構光子器件、自適應光學與安全通信等領域奠定了堅實的科學與技術基礎。該論文的通訊作者為北京理工大學激光微納制造研究所韓偉娜研究員，第一作者為戴育靈博士。研究工作獲得了國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的支持。

審核編輯 黃宇