原子層厚度超表面光場調控原理及應用

李 昊，胡德驕，秦 飛，李向平*

（1.暨南大學光子技術研究院廣東省光纖傳感與通信重點實驗室，廣州 511443；2.廣東紫晶信息存儲技術股份有限公司，廣州 511443）

1 引 言

伴隨著研究對象從宏觀到微觀的轉變，光學的發展經歷了從被動利用自然界材料來控制光場傳播到通過人工合成自然界并不存在的新型超材料[1-3]來實現對光場的操縱。對于傳統光學調制器件來說，實現高度集成化、小型化的光學系統十分困難。人工超材料正是利用微觀尺度的光學共振實現對有效介電常數和有效磁導率的人為操控，進而調控光波的電場分量和磁場分量，從而影響光波的傳播行為。隨著微納加工技術和集成光子學的發展，利用納米共振結構實現光場的近場和遠場調控成為研究的熱點。由于三維超材料結構復雜，納米加工難度大，光學損耗高，很難將其付諸于實際應用。將共振結構制備到平整材料表面可構成能對光的振幅、相位、偏振等參量進行調控的結構化功能表面，也被稱作超表面（metasurface）[4-7]。這種調控光的方式較易加工且能實現豐富的光調控能力，為推進超材料的應用與發展鋪平了道路。

近年來，基于超表面的研究成果一直層出不窮。2011年，哈佛大學Capasso團隊利用V 型金納米結構序列首次實現了超表面設計后[8]，超表面在實現光場調控方面的技術飛速發展。在偏振調控[9-12]，全息成像[13-18]，超透鏡[19-22]和表面波耦合器[23-25]等方面有著廣泛的應用。當前超表面對波前相位調控的機制可以歸納為如下幾類，例如Pancharatnam-Berry（PB）相位[26-28]、共振相位[16,29]、傳輸相位[30-31]及迂回相位[32-34]調制方式。Pancharatnam[35]和Berry[36]相繼發現了幾何相位的關系，當圓偏振光入射到結構上時，會產生與入射光旋向相反的交叉圓偏振光，而通過適當的結構設計可以達到旋轉光軸的效果，光軸與坐標軸的夾角會發生改變，從而交叉圓偏振光的相位就得到了調控。在此之后，Lin 等利用PB相位原理設計了Si納米天線的光柵式超表面，演示了透鏡的聚焦[37]。PB相位超表面器件的效率依賴于圓偏振光的交叉轉換效率，通常與納米結構支持的局域模式相關，此類超表面器件的厚度通常在數十納米至百納米量級[38]。此外，還可以利用共振結構相位調控特性對光場的波前進行調控進而控制光束在界面處的折射、反射和衍射等特性。其中一種顯著特性就是能夠對光波幅進行調控，體現在光譜上對不同波長出現選擇性地反射或者透射，使得某些成分的光在光譜里占據更多的比例。這種譜線調制的直觀體現就是納米結構顯色特性，利用這一特性可以將納米結構制成彩色像素，從而實現超高分辨率的顯示。該類超表面器件微納結構的厚度通常在數十納米至百納米量級，以支持模式共振[7,39]。傳輸相位型調控是通過操縱電磁波波前在傳輸過程中產生的光程差來實現相位調控，目前常用構建傳輸相位型超表面的方法可分為兩類：一類基于表面等離子體波導理論中傳播常數隨介質寬度變化的特性[40-41]，另一類基于介質等效折射率理論中利用兩種或多種介質在單元結構內的比例差，實現結構對光波前的調制[42-43]。全電介質高折射率材料的高效率以及不同幾何形貌所支持的傳輸相位調控能力，使得全電介質超表面被廣泛應用于全息及超透鏡等光場調控器件[31,37,44]。然而為了實現大的相位調制，全電介質超表面的厚度通常在數百納米接近波長的量級。迂回相位最初由Lord 等人用于研究具有周期誤差的衍射光柵是如何通過調制波前影響干涉圖樣的，后由Brown 等人用到相位全息圖中[45]，對于一個二維陣列結構，可以通過改變狹縫在每個周期的位置偏移量來實現0-2π 相位。與納米天線結構相結合，Deng 等人開發了具有偏振和相位獨立調控自由度的雙原子迂回相位超表面，其厚度為數十個納米[33]。

然而，上述幾類超表面光場調控機制讓進一步壓縮超表面器件厚度，實現納米級超薄平面光場調控器件面臨巨大的挑戰。自2004年石墨烯[46]首次被剝離出來，引發了人們對原子級超薄材料在電子學和光電子學方面獨特性能的深厚興趣，過渡金屬二鹵化物[47-48](TMDs)、六方氮化硼(hBN)[49-50]、和黑磷[51]等陸續被發現并迅速發展。單層的二維納米材料是一種由原子或分子構成的二維晶格，其厚度一般在亞納米尺度。層內由較強的共價鍵或離子鍵連接，單層二維材料之間由作用力較弱的范德瓦耳斯力結合，構成了多層的二維材料。由于其縱向尺寸遠小于橫向尺寸的這種量子限制效應，這些二維材料展示出與其對應的體材料截然不同的性質，有著十分獨特的光學和電學特性，例如高度可調的帶隙[52]、能谷-光子自旋耦合[53]、較強的光—物質相互作用[54]、超高的電荷載流子遷移率[55]，優良的導熱性[56]。由于TMDs具有帶隙連續可調[52]，高折射率[57]等優勢，已成為二維材料研究領域中的重點研究對象。尤其原子層厚度的二維材料與超表面光場調控相結合衍生的新穎光場調控平面光學器件取得了快速發展。

本文圍繞近年來快速發展起來的基于二維材料超表面光場調控器件，從不同類超表面構型的光場調控物理機制出發，綜述了二維材料超表面光場調控的原理、制備及主要應用，并且對未來發展的新方向和面臨的挑戰進行了預測和展望。

2 多層二維材料全電介質光場調控

由于過渡金屬二硫化物（TMDCs）具有高折射率的特性，可以作為全電介質材料用于先進光學和電子功能的激子平臺。這種特性開辟了利用它們構建亞波長尺寸形貌相關的米氏模式（Mie）共振納米天線的可能。查爾姆斯理工大學Mikael K?ll 研究團隊引入TMDC 納米天線的概念[58]，利用多層WS2的高折射率特性所支持的Mie共振和anapole狀態，如圖1 所示。在可見光范圍內多層WS2面內介電常數實部大于16，面外只有7左右（圖1（a）），他們首先模擬了WS2納米盤的散射特性，發現在納米圓盤高度為200 nm 時，散射強度與納米圓盤半徑在700 nm 波長以上呈線性增強關系，在940 nm 的共振峰處支持由有循環感應電流激發的磁偶極子共振，并且在715 nm 可以支持anapole 模式-由電偶極子和環形偶極子耦合形成的無輻射模式（圖1（b））。實驗中研究團隊使用電子束曝光和干法蝕刻剝離多層WS2制成的高度為95 nm，半徑分別為110、150、200 nm的3個納米盤（圖1（d）），用暗場光譜法測量了它們的散射特性，實驗和模擬結果吻合良好，并且兩者均顯示出由多個峰和谷組成的復雜共振特征，這些峰和谷隨盤大小分散。在同一納米結構中存在激子帶和色散幾何偶極子表明這些共振特征可以相互耦合和雜交。他們引入人工各向同性的介電函數，當關閉了A 激子躍遷后，發現anapole 模式，其散射幾乎為零。相反只使用包含A 激子響應的人工介電常數，在激子波長處出現散射峰。當同時開啟的時候，譜線發生分裂，在580 nm 和680 nm 處出現兩個散射谷（圖1（c））。該工作通過一個簡單的納米加工步驟，將多層TMDC納米天線中的米氏共振和anapole 模式(以及它們與激子的強耦合)引入了強光-物質相互作用的平臺。

圖1 （a）WS2在面內和面外的介電常數。（b）模擬h=200 nm 的多層WS2散射截面的散射與盤半徑和波長的對應關系。（c）模擬了h=200 nm 和R=150 nm 的多層WS2納米盤在真空中的散射截面。（d）制備的多層WS2全電介質納米盤的偽彩色側視掃描電子顯微鏡(SEM)圖像[58]Fig.1 (a)Thein-plane and out-of-planedielectric constantsof WS2.(b)Simulated scattering crosssectionsof multilayer WS2 at h=200 nm as a function of disk radius and wavelengths.(c)Simulated scattering cross sections of multilayer WS2 nanodisk at h=200 nm and R=150 nm in vacuum.(d)False color side-view Scanning Electron Microscope(SEM)image of the prepared multilayer WS2 all-dielectric nanodisk[58]

利用二維材料的高折射率特性和不完全相位調制，Liu 等人使用多層vdW 材料制造出了亞波長尺度的超透鏡[59]，演示了接近衍射極限的聚焦和成像，并利用它們的分層性質將制造的超透鏡轉移到柔性基板上，展示了應變誘導的可調聚焦。為光學元件的進一步縮小尺寸和超表面光學在超小型光電系統中的集成提供了機會。如圖2(a)所示，使用放于晶格周期為260 nm 的石英襯底的寬帶隙h-BN(折射率為2.17)的圓柱，通過改變圓柱的幾何尺寸（厚度t和直徑D），并利用耦合波理論分析其透射特性。在圓柱結構厚度大于450 nm 處，可以實現完整的2π相位控制。為了減小散射體的厚度并減輕其性能下降，他們采用了不完全相位調制設計[60]。即最大相位偏移小于2π(圖2(b)～2(d))，實現的相位函數可以通過飽和失配模型與尋址的0～2π 相位關聯。即使沒有覆蓋整個2π 相移，也能實現相對較高效率的聚焦功能。通過使用不同相移范圍，以及使用線性插值或飽和失配設計的4種透鏡對比試驗發現，使用飽和失配模型時，在具有相同相位調制的情況下，聚焦效率可以提高約1.5倍。最后研究人員利用多層MoS2材料與不完全相位調制設計相結合，成功設計了厚度為190 nm，焦距為300μm，直徑為100μm 的超透鏡。在1310 nm 波長處利用飽和失配模型實現0～0.7π 相移，并成功實現近衍射極限的聚焦效果（FWHM=5μm）。該結果展現了緊湊型紅外成像系統的可行性。鑒于二維材料優良的機械力學特性，通過在石英襯底上將120 nm厚的多層h-BN 全電介質薄膜制成焦距為250μm的超透鏡，利用它們的層狀性質將所制備的超透鏡轉移到柔性襯底上，發現除了在F焦距處的焦點外，還可以在沿著軸向F/N 處觀察到多個高強度熱點，其中N是整數（圖2（e））。在施加徑向應變（ε）時，測得的焦點會偏離初始焦平面。這種調諧行為與（1+ε）2（圖2（f））成線性比例。該結構驗證了可以實現應變誘導的可調諧聚焦效應。基于多層二維材料全電介質相位調制機制的平面光學結構在光學傳感、成像、偏光測量、焦距調節和能量收集等領域展現了巨大應用潛力。

圖2 （a）多層vdW 全電介質納米柱陣列示意圖。模擬計算在改變納米柱尺寸時通過陣列后波前振幅（b）和相位（c）的變化。（d）從左到右：納米柱的厚度分別固定為300、400和500 nm 時，柱直徑與透射波前的幅度（黑色）和相位（紅色）的對應關系。這些模擬曲線是從圖(c)和(d)中對應提取。（e）集成在PDMS柔性基板上的多層h-BN 全電介質超透鏡的軸向焦場強度分布圖。（f）應變誘導的可調諧聚焦效應。數據圖為在不同應變值下測得的（圓形符號）和分析預測的（實線）焦距[59]Fig.2 (a)Schematic diagram of multi-layer vdW all-dielectric nanopillar arrays.The color maps show RCWA providing the change in the(b)amplitude and(c) phase of a wavefront after passing through the array when varying the dimensions of the nanopillars.(d)From left to right:correspondence of nanopillar diameter to the amplitude (black)and phase(red)of the transmitted wavefront when the thickness of the nanopillar is fixed at 300,400 and 500 nm,respectively.These simulated curves are extracted from Figures(c)and(d),(e),Axial focal field intensity distribution of multi-layer h-BN all-dielectric metalens integrated on PDMS flexible substrate.(f)Strain induced tunable focusing effect.Measured(round symbols)and analytically predicted (solid line)focal lengths under different strain values[59]

3 少層二維材料及原子層厚度超表面

上述多層二維材料超表面依然沿襲傳統光場調控機制，僅僅利用了其全電介質高折射率的特性，有效光場調控厚度依然停留在百納米量級。隨著對二維材料超表面研究的深入，少層甚至原子層厚度超表面光場調控得到了充分發展。具有超薄厚度，高折射率和非凡光學特性的石墨烯和其他二維（2D）材料的出現，促使人們產生實現原子級平面光學的概念和思想[61-62]。例如，在寬帶上具有大且可調折射率的單層石墨烯實現了波導集成偏振器的演示[63]，以及紅外和太赫茲頻率區域的可調調制器[64]；利用Heaviside相位調制實現超表面光場調控[65]以及從單層到雙層的寬帶相位調節機制[66]；利用振幅調制機制實現高性能平面透鏡[67]和激光彩色圖像打印技術[68]；以及利用激子共振調制實現了超薄的WS2單層平板透鏡演示[69]。

3.1 Heaviside相位跳變

當光強度消失時，通常伴隨產生光學奇點（singularity）現象，如常見的光學相位奇點和偏振奇點。光學相位奇點的拓撲行為往往會引起許多有趣的物理現象，如跨越奇點附近的Heaviside相位突變和奇點附近的光場超靈敏特性。在光場調控應用中，通過合理設計超表面構建光學反射奇點能夠實現典型的Heaviside型光學相位突變，從而使跨越奇點的結構單元表現出顯著的相位延遲。Wang等人[65]基于光學反射奇點誘導的相位突變行為實現了原子層厚度即波長的百分之一的超構表面光場調控。通過合理設計PtSe2-SiO2-Si多層膜結構（圖3（a）），利用少層二維材料強吸收損耗特性，在PtSe2-SiO2-Si 區域和SiO2-Si區域之間，可以在共振波長實現接近零反射的“拓撲光學奇點”（圖3（b））。光學奇點現象一般出現在單端口共振系統中，其與自由波之間只通過單個端口進行能量交換，在平面波照射下只有反射場的光學共振結構即為單端口共振系統。單端口系統的反射系數可以由耦合模式理論唯象地表示為[70]

其中，共振系統的共振頻率為 ω0，Qr與Qa分別是與襯底結構輻射損耗 γr及少層二維材料吸收損耗γa相關的物理量，它們之間的關系為γr=ω0/(2Qr)與γa=ω0/(2Qa)， ω則為入射光的頻率。分析該公式可以得出，當Qr/Qa<1時，吸收損耗較弱，共振系統處于過耦合狀態，反射系數的相位覆蓋2π 范圍；相反地，當Qr/Qa>1時，吸收損耗較強，共振系統處于欠耦合狀態，反射系數的相位只能覆蓋小于π 的范圍；而Qr/Qa=1 的臨界狀態即為光學奇點狀態，在該情況下，共振頻率下的反射系數振幅消失，其相位為不確定值（圖3（c））。PtSe2-SiO2-Si結構即為一種單端口光學共振系統，研究表明，可以通過改變PtSe2層的厚度調節該系統的吸收損耗，從而可實現對該系統的共振狀態在過耦合和欠耦合之間切換，以實現巨大的相位跳變調控。

圖3 （a）原子層厚度二元超表面實現Heaviside 光學相位調制示意圖。（b）PtSe2-SiO2-Si 多層膜的反射率與PtSe2 厚度和入射波長的關系。（c）過耦合和欠耦合情況下的反射相位譜[65]Fig.3 (a)Schematic diagram of Heaviside optical phase modulation realized by atomic layer thickness binary metasurface.(b)Reflectance of PtSe2-SiO2-Si multilayers as a function of the PtSe2 thickness and the incident wavelength.(c)Spectra of reflection phasefor over-and under-coupling cases[65]

由于少層二維材料PtSe2吸收損耗大，當PtSe2-SiO2-Si系統在共振頻率產生臨界耦合點時，理論上頂層二維材料臨界厚度僅需2.2 nm，對應5個原子層左右（如圖3（b））。實驗設計的兩種超構單元PtSe2（4.3 nm）和PtSe2（0 nm）產生的耦合模式剛好跨越臨界耦合點，在共振頻率處兩種超構單元的反射相位可以有效實現接近π 的顯著相位突變。結合激光直寫技術，通過激光燒蝕形成頂層PtSe2薄膜制備二元結構。利用不同超構單元PtSe2（4.3 nm）和PtSe2（0 nm）之間反射相位的Heaviside跳變，構建二元超表面器件。像素化二元超表面全息演示器件頂層二維材料厚度起伏僅為4.3 nm，實驗中測量獲得的最大相位調制能力接近0.8π。在共振波長590 nm 處，全息成像衍射效率達到4.1%，全息重構圖像表現出優異的保真度（>70%）（圖4（a）～4（i））。同時，利用二元相位調控能力，研究團隊演示了在可見光波段上原子層厚度的光學菲涅耳波帶片（FZP）透鏡(圖4(l)～4(n))。由于奇點相位的拓撲保護特性，超表面器件同時展現出優異的角度魯棒性（±20°）。通過掃描二維材料的折射率實部（n）和虛部（k）可以找到所有使得共振系統處于臨界狀態的n和k值，這些值在以n，k為橫縱坐標的坐標系里形成一條軌跡曲線；同時將PtSe2的色散曲線繪入圖中，其與臨界點軌跡相交，則表明PtSe2可使得該共振系統處于臨界共振狀態。此時若改變入射光角度，則會發現臨界點軌跡逐漸移動，在較小角度（20°）以內，其移動緩慢，與PtSe2的色散曲線一直保持相交，意味著在小角度附近的相位跳變特性具有較高的魯棒性(圖4(j))。研究發現，這種魯棒性使得衍射效率隨入射角在20°以內的變化較小，很好地保證了超表面器件的有效角度范圍(圖4(k))。作為原子層厚度的超表面光場調控技術有望進一步促進平面光學器件的集成度和微型化，將在全息成像、超構透鏡、光學存儲等領域具有廣闊的應用潛力。

圖4 原子層厚度二元超表面全息成像和超透鏡實驗效果。（a）構建全息圖像的實驗裝置，（b）激光直寫技術制備的二元超表面光學顯微鏡圖像。正方形標記區域的光學圖像（c）以及拉曼圖像（d）。（e-h）在照明波長分別為473,561,590 和671 nm 的全息重構圖像。（i）比較有和沒有290 nm 厚硅襯底層樣品的實測衍射效率。（j）在不同入射角(0°，5°，10°，15°，20°，25°，30°)下，PtSe2 薄膜在(n-k)圖中的最小反射軌跡和色散情況。（k）測量衍射效率(紅色散射)和計算相位差(藍色曲線)與入射角的關系。菲涅耳波帶片平面超透鏡的電鏡(l)和對應光學(m)圖像。（n）3種不同波長聚焦強度分布的模擬結果與實驗結果的比較[65]Fig.4 Demonstration of atomically thin meta-holograms and Fresnel zone plate(FZP)lenses.(a)Experimental configuration for reconstructing holographic images.(b)Optical microscope image of scribed meta-optics pixel arrays by Direct Laser Writing(DLW).The optical image(c)of the square marked area and the Raman image(d).(e-h)Holographic images captured at illumination wavelengths of 473,561,590,and 671 nm,respectively.(i)Comparison of measured diffraction efficiencies for the samples with and without the 290-nm thick silica substrate.(j)Minimum reflection trajectories and dispersion of PtSe2 films in(n-k)figures at different incident angles(0°,5°,10°,15°,20°,25°,30°).(k)Measured diffraction efficiencies(red scatters)and calculated phase difference(blue curve)as a function of the incident angle.SEM(l)and corresponding optical images(m)of Fresnel zone plate plane metalens.(n)Cross section of thesimulated and experimental intensity distribution of the focal spot at thewavelength of 561,590,671 nm[65]

過渡金屬鹵化物二維材料的顯著優勢在于當其厚度從體材料體系過渡到單層材料體系時，其能帶結構將從間接帶隙過渡到直接帶隙，同時其能帶寬度處于可見光和近紅外波段。這就為后續構建集成光學系統提供了顯著優勢?；趩螌舆^渡金屬鹵化物二維材料的發光器件和光電響應器件已經被廣泛研究[71-73]。在單層二維材料體系中實現有效的光學相位調控，對于全光集成系統的構建具有重要意義。然而，受限于材料物理極限的厚度，在傳統的相位調控機理下，利用單層二維材料實現有效的光學相位調制面臨挑戰。近期，Qin 等人[66]基于單層二硫化鉬-透明介電層-硅襯底的多層膜結構體系，在臨界耦合點附近利用跨越光學奇點產生的Heaviside相位跳變機制，成功實現了對可見光的高調控能力。如圖5所示，他們利用透明介電層-硅襯底上的單層二硫化鉬組成的復合結構（圖5（a）），與前述工作改變上層二維材料厚度來調控吸收損耗不同，該工作中研究團隊通過調整介電層的折射率(n)和厚度(t)，控制單原子層吸收損耗和襯底輻射損耗之間的競爭關系，在跨越臨界耦合點兩側，可以實現反射光的Heaviside相位跳變。理論研究發現，在介電層參數n=1.98和t=65 nm 的最佳組合下，在535 nm的波長處，利用厚度僅為0.67 nm 的單原子層MoS2便能夠實現反射光π 的顯著相移（圖5（b））。實驗測得的單原子層MoS2的反射相移為0.88π。利用PECVD的MoS2薄膜生長技術，結合飛秒激光直寫加工手段，他們加工制備了單原子層厚度的二元環帶結構平面超臨界透鏡，通過反相環帶結構來調控不同角頻入射光在焦場內實現相干相消。正是利用了相鄰環帶結構之間的反相調控，他們實現了遠場的超衍射極限聚焦效應，焦斑尺寸得以突破光學衍射極限，實現0.7艾里(AU)光斑尺寸。此外，二硫化鉬具有獨特的色散特性，當改變頂層二維材料厚度從單層變為雙原子層，可以獲得從435 nm 藍光到585 nm 黃光的150 nm寬帶，實現了大于π/2的相位調節能力，并使二元相位調制超臨界透鏡在整個有效帶寬波段能夠表現出恒定的0.7 倍艾里斑尺度超衍射限制聚焦能力（圖5（c））。該工作通過將結構壓縮到單層材料厚度，結合過渡金屬鹵化物半導體材料直接帶隙特性，為基于二維材料體系的集成光電系統的開發提供了可能。類似的原理也可以應用于階梯厚度變化的少層MoS2（小于6.3 nm）多階相位調控光學透鏡以及衍射光柵[74]。

圖5 （a）二硫化鉬片和硅襯底之間的反射相移示意圖。（b）基于吸收損耗與輻射損耗競爭產生臨界耦合條件下的Heaviside 相位調制與介質層厚度(t)和折射率(n)的關系。（c）原子層厚度平面超臨界透鏡及其寬譜超衍射極限聚焦特性[66]Fig.5 (a)Schematic illustration of the reflected phase shift between MoS2 sheets and silicon substrates.(b)Relation between Heaviside phase modulation and dielectric layer thickness(t)and refractive index(n) under the condition of critical coupling based on the competition between absorption losses and radiation losses.(c)Planar supercritical lens with atomic layer thickness and its wide-spectrum sub-diffraction limited focusing characteristics[66]

3.2 振幅調制

盡管傳統光學器件設計中吸收損耗通常是要規避的負效應，然而最近的研究發現單原子層二維材料較大的折射率虛部能夠引起非平凡界面相移效應，尤其是二維材料放置在金屬襯底上的多層膜結構，可用于超表面光學器件。近期，Hu 等人揭示了納米級厚度的連續MoS2薄膜涂敷的金屬襯底結構具有優異的層厚靈敏光譜調制特性[68]。利用材料虛部引入的非平凡界面相移[75]，納米級MoS2材料的奇異色散為超靈敏光場調控方案提供了可能（如圖6）。根據FP腔薄膜干涉共振理論，諧振的產生主要由材料折射率和厚度相關的傳輸相位累積和兩個界面處的總界面相移決定，可以表示為[68]：

圖6 （a）基于非平凡界面相移的激光削薄少層MoS2薄膜實現諧振波長調控示意圖。（b）模擬顯示MoS2薄膜涂敷的金屬襯底結構反射光譜與MoS2原子層數對應關系。（c）通過不同功率激光削薄實驗得到的反射光譜顏色坐標圖。（d）不同功率下得到的激光削薄區域的原子力顯微鏡圖（AFM）。（e）紅色虛線對應的高度變化。（f）提取不同功率下由拉曼光譜推算的厚度變化[68]Fig.6 (a)Schematic illustration of tightly focused laser beams for exfoliating multilayer MoS2 with atomic thickness precisions.(b)The calculated reflectance spectra of the MoS2 thin films on the Au substrate with different numbers of layers.(c)Experimentally obtained reflection color palettes and color coordinate diagram through laser exfoliating at variant powers.(d)The AFM image of laser thinned regions obtained at different laser doses.(e)The height change corresponding to the red dotted line.(f)Extracted thickness variation calculated by Raman spectrum under different powers[68]

其中λ 為諧振波長，n,h分別為FP腔介質折射率實部及厚度，φ1+φ2為上下界面處由于介質折射率虛部引起的總界面相移，m為共振階數。而傳統薄膜干涉共振腔通?；诟哒凵渎屎偷臀論p耗的透明介質，其諧振波長依賴于FP腔厚度的變化產生相位累積滿足的共振條件，因而薄膜厚度通常為四分之一諧振波長的整數倍。然而少層MoS2材料具有大的折射率虛部可以在金屬襯底界面引起巨大的非平凡界面相移，使得在界面的非平凡相移可以主導超薄多層膜中的傳輸相位累積，當非平凡的總界面相移接近 2π時，1階諧振波長對薄膜腔厚度變化變得尤其敏感。在少層MoS2薄膜涂敷的金屬襯底結構上，僅是從30層到單層的厚度變化（小于20 nm），反射諧振波長移動即可以覆蓋整個可見光的從800 nm 到430 nm 近400 nm 的調節范圍。

基于層狀MoS2薄膜的層間范德華相互作用和各向異性熱導率的材料特性，通過精確操控連續激光緊聚焦條件，可控制產生垂直于界面的接近80℃/nm 的超高溫度梯度，建立標準化的激光剝落配方，這為以原子層精度進行可靠的厚度控制提供了基礎。圖6(d)～6(f)，對激光削薄后的色塊進行原子力顯微鏡測量，實驗結果實現對納米級厚度的MoS2原子層削薄，最小剝離厚度達到3 nm。利用金屬-MoS2結構對納米級厚度變化展現出超靈敏響應的光學共振，研究團隊實現了在全可見光范圍內產生鮮艷的反射色彩，還帶來了較大的反射振幅調制（圖6（c））?；谏鲜鲈?，研究團隊演示了高分辨率的全彩色圖像打?。▓D7（a）～7（f）），激光打印像素最小尺寸為400 nm，分辨率可以高達58000 dpi。結合激光加工的靈活和大尺度特性，研究團隊演示了實現大尺度cm 級彩色圖像的快速打印。同時，不同厚度的相鄰打印結構具有高的振幅調制，利用激光打印微光柵結構可以為其振幅調制帶來高效衍射效應，進一步開發了基于光柵衍射角度色散效應的多角度立體圖像三維視覺。在激光加工后少層二維材料表面厚度起伏僅為10 nm 時，實驗測量獲得在560 nm 波長1級衍射效率接近36%。他們通過激光加工制備了周期分別為1800 nm 和1200 nm的兩套振幅光柵結構，通過交叉排布方式組合成單元像素，將固定方向的斜入射光波分別衍射到不同角度，從而可以不同角度上接收不同圖像信息，證示了雙目視差立體立體圖像的可行性（圖7（g）～7（i））。

圖7 （a-f）激光打印高分辨率彩色圖片。（g）雙目立體成像示意圖。（h-i）分別為左右眼從不同角度獲得的圖像[68]Fig.7 (a-f)Laser printing of high-fidelity color images.(g)Schematic diagram of binocular stereoscopic imaging;(h-i)images obtained from different angles for theleft and right eyesrespectively[68]

不僅二維材料的折射率虛部可以用來產生奇點相位突變以及非平凡界面相移，激光加工二維材料濺射形成的顆粒因具有高的折射率還可以實現對光場的散射和振幅調制。Jia 等人基于單層TMDC單晶材料演示了高性能平面透鏡[67]，通過激光加工局部具有強烈散射的納米粒子，以獲得所需的振幅和相位調制，同時展示了基于TMDC材料的透鏡衍射受限成像能力。聚焦的飛秒激光照射在厚度僅為0.7 nm 的單層過渡金屬二鹵化物WSe2材料上，在633 nm 波長下WSe2材料具有高達5.5的折射率實部，在緊聚焦飛秒激光GW·m?2量級的高峰值功率作用下單層WSe2被強電離產生W4+離子并與空氣中的氧氣發生氧化反應，從而濺射生成高度為20 nm 橫向尺寸分布在50～150 nm 之間的WO2納米顆粒（圖8）。產生的WO2納米顆粒對光有很強的散射作用，可以實現對光的振幅和位相調制。該尺度下的WO2納米顆粒滿足瑞利散射條件，可以獲得對入射光接近85%的振幅調控以及0.1 π的相位延遲。利用激光加工燒蝕和濺射單層WSe2形成同心環組成的菲涅耳波帶片平面超透鏡結構，能夠對光進行聚焦和對物體進行成像。利用飛秒激光加工出的一個平面透鏡的光學顯微圖片如圖9所示。該透鏡由不等間距的同心圓環構成。飛秒激光照射的區域由于產生了納米顆粒對光形成很強的散射，因此變暗。其聚焦的焦點在xy平面和xz平面內的光強分布如圖9(b)所示，其在xy平面內實現了亞波長的分辨率，在xz平面內實現了波長級的分辨率。其聚焦效率可以高達31%，遠大于目前的亞納米厚度的平面透鏡。該激光加工方法可以在任意的單層過渡金屬二鹵化物材料中獲得相似的光場調制能力，實現很好的聚焦效果。作為應用演示，他們在單原子層PtS2薄膜中通過激光加工制備了口徑為300μm 的大面積平面透鏡，并演示了單原子層材料透鏡的高分辨率成像，其結果如圖9(c)所示。該透鏡成像了字母F和一個美國空軍標準板，其中最小間距為1.1μm 的兩條平行線可以在其一級焦點成像面中清晰分辨。由于該透鏡同時還存在高階衍射現象，因此在透鏡后方可以同時實現正一級和正二級的多個焦點和多個像平面，由于一級和二級相平面具有不同的焦距，因此還可以有效利用該效應實現具有不同放大倍率的可變焦透鏡。

圖8 （a）飛秒激光制造單層TMDC透鏡的示意圖。插圖(i)單層TMDC（此處為WSe2）單晶的AFM 圖像，以及(ii)單層TMDC（此處為WSe2）單晶的STEM 圖像。（b）飛秒激光誘導生成MO x 納米顆粒的示意圖[67]Fig.8 (a)Schematic of femtosecond laser fabrication of a monolayer TMDC lens.Inset:(i)AFM image of a monolayer TMDC(WSe2 in this case)single crystal,and(ii)STEM image of the monolayer TMDC(WSe2 in this case)single crystal.(b)Schematic of femtosecond laser-induced generation of MO x nanoparticles[67]

圖9 （a）單原子層WSe2平面透鏡的光學顯微圖像。（b）實驗獲得的焦點強度在xy 和xz 平面內的橫截面圖像。（c）使用單原子層PtS2平面透鏡的衍射極限成像的示意圖[67]Fig.9 (a)Optical microscope image of a single atomic layer WSe2 planar lens.(b)Experimentally obtained cross-sectional images of the focal intensity in the xy and xz planes.(c)Schematic illustrating diffraction-limited imaging using a monolayer PtS2 lens[67]

此外，利用少層TMDC材料的強吸收特性，研究人員開發和制備了振幅調制的光過濾器及光衍射器件。Zeng Wang 等人[76]在10 nm 厚的MoS2薄膜中利用C激子共振強吸收特性實現對透射光接近80%的振幅抑制，通過在連續MoS2膜中制備具有高透射率的納米孔結構，從而產生振幅的二元調制，進而制備了少層MoS2光子篩全息圖。實驗獲得的衍射效率約為22%，其衍射效率為金屬光子篩結構的11倍。同時，他們也演示了具有亞衍射極限的聚焦效果和納米成像能力的振幅調制超臨界透鏡。

3.3 激子共振調制

基于超表面平面光學器件原理，依靠對納米諧振天線的散射特性的高度可控特性設計實現激子共振調制。通常天線的選擇僅限于支持等離激元或米氏共振的金屬和高折射率全電介質納米結構。這些諧振元件具有很強的光-物質相互作用，并且可以很好地控制散射相位和幅度，但缺乏主動調節的可行性。隨著納米光學的發展，人們對動態可調的光電器件提出了更高的要求。結合二維材料優良的光電可調特性，Jorik 等人演示了利用原子層厚度半導體中的激子共振作為第三種共振來創建可調諧的平面光學器件[69]。單層二硫化鎢（WS2）在可見光譜范圍內顯示出強烈的激子共振，他們通過施加外電壓等方式主動調節二維材料的激子共振，實現了共振可調的光-物質相互作用。通過對二維材料的結構化和圖案化制備出相應的器件結構，發展了由二維激子材料制成的主動可調超表面。

首先，研究團隊設計了一種單原子厚度的WS2超薄平面透鏡，如圖10所示。其結構為典型的菲涅耳波帶片，通過用離子液體電門施加控制電壓，對來自WS2不同環帶的衍射光在焦場內的相長干涉實現聚焦。將環形WS2看做由入射平面波驅動的散射場源，局部產生的散射場與WS2材料的極化成正比。在激子共振處，復數電極化率（表示為χ）最大，表現為激子共振附近的散射最強。通過電壓門控改變WS2材料的激子共振能力來調節鏡頭聚焦效率。通過施加電壓前后消除激子共振，從而產生了最大的磁化率變化，即光場散射調制。相對于等離子共振和米氏共振的難以調節，這種激子共振抑制機制具有完全可逆和高度可再現特性。

圖10 （a）基于激子共振的可調諧WS2菲涅耳波帶片平面透鏡示意圖。時變的離子-液體柵極電壓通過猝滅激子共振而實現聚焦效率的主動調制。（b）離子-液體門控工作原理示意圖。（c）加工制作的平面透鏡光學顯微鏡圖像(右)和設計的WS2平面透鏡圖（左）對比。（d）聚焦光束(λ=620 nm)的x-z 面內強度分布圖。（e）直徑為20μm 的菲涅耳波帶片平面透鏡的散射場強度分布圖(λ=620 nm)，焦距f =10μm[69]Fig.10 (a)Schematic diagram of a Fresnel zone plate tunable WS2 lens based on exciton resonance.Active modulation of focusing efficiency is achieved by quenching exciton resonance through time-varying ion-liquid gate voltage.(b)Schematic diagram of working principle of ion-liquid gating.(c)Comparison between the designed WS2 planar lens(left)and optical microscope image(right)of the fabricated planar lens.(d)Focused beam (λ =620 nm)intensity distribution in the x z plane.(e)Scattering field intensity distribution of Fresnel zone plate lens with a diameter of 20μm (λ=620 nm),focal length f =10μm[69]

由此，利用激子共振的可調諧性來調制平面透鏡的聚焦焦點強度。如圖11所示，對WS2/石墨烯異質結構施加偏置電壓來抑制激子共振。在不施加電壓時，單原子層WS2在520 nm 及620 nm附近分別展現出強烈的b激子和α 激子共振(圖11(a)，藍色)，施加電壓會導致α 激子的抑制和紅移以及b激子抑制(圖11(a)，紅色)。當不對稱激子線被完全抑制會產生大的極化對比度，實現結構對散射光調制。同時，激子共振調制具有高度可逆性，通過施加和去除電壓可以切換到恢復共振狀態。利用激子共振主動控制，在單原子層WS2波帶片透鏡的焦點處演示了動態光強度調制（圖11（b））。在激子共振的狀態（Vg=0 V）和激子共振猝滅狀態（Vg=3 V）之間可重現的切換使得能夠主動控制激子光散射幅度及透鏡的聚焦效果。在對應的激子共振波長625 nm 下，觀察到的最大調制深度約為33%。在激子共振狀態和激子猝滅狀態之間切換，以實現對激子光散射幅度的主動控制，證實了二維材料超表面動態光場調控的可行性。

圖11 （a）20μm×20μm 的單原子層WS2在V g 為0 V 和3 V（藍色和紅色）的反射譜。（b）激子共振的可重復調節性。在激子共振態(藍色)和激子共振淬滅態(紅色)之間循環時的反射率光譜[69]Fig.11 (a)Reflectivity spectra of a 20μm×20μm isolated patch of WS2 for V g=0 V(blue)and gated at V g =3 V (n-doping,red).(b)Reproducible modulation of exciton resonance.The reflectivity spectrum of cycles between the exciton resonant state(blue)and the exciton resonance-quenched state (red)[69]

4 展 望

作為超材料的二維對應物出現的超表面，能夠實現空間變化的光學響應（例如，散射、幅度、相位和偏振），將光波前塑造成可以隨意設計的形狀，可以有效降低系統的復雜度，提高光學系統的可靠性，促進集成光學系統和微納光學系統的發展。隨著具有優異的光學和電學特性的二維材料發展，二維材料與超表面光學的結合，為納米尺度的光學器件發展帶來了新的機遇。盡管二維材料超表面其工作介質厚度僅僅為數個原子層，通過光學結構的設計開發新穎的光場調控機制，可有效控制透射或反射模式下光的相位，幅度和偏振等多自由度，相關研究為微納光學領域光學器件未來的研究、設計和發展提供了無限的可能性。

文中圍繞基于二維材料超表面的光場調節機制，綜述了原子層厚度超表面取得的研究進展，分別介紹了多層二維材料全電介質相位調制，少層和原子層厚度二維材料Heaviside相位突變調制，激子共振調制，以及振幅調制等光場調控機制，并介紹了二維材料超薄超表面光場調控的應用。原子層厚度超表面已經成為研究者們廣泛關注的熱點，近期在該領域仍不斷地有新成果報道，為超輕型器件以及用于動態光場操縱的有源組件的開發提供了巨大潛力。但是還面臨著很多問題和挑戰。例如光場單一參量的調控局限了其進一步的應用，由于超表面的超薄厚度，光與物質相互作用距離不足，導致調控的效率與工作帶寬不高制約了其商業化道路。需要多參量的復合調制，更精細地調節復雜結構光場，從而實現器件的多功能集成。目前，原子厚度的超表面由于具有許多優異性能而顯示出廣闊的前景。利用原子厚度的超表面的波前調控可以實現超輕超薄，易于集成的超透鏡，以替代傳統光學系統中的透鏡組。利用其載流子遷移率高、帶隙可調，在高性能電子產品中有望實現突破，也為自調制光致發光、功能集成化的光電探測器、激子場效應晶體管以及下一代光學計算應用提供助益。