等離激元光子學(xué)（plasmonics）是目前材料科學(xué)、凝聚态物理、納米光子學(xué)等多學(xué)科交叉的前沿領域之一。等離激元（plasmon）通常指固體中自由電子集體振蕩的量子化，是凝聚态物理中最基本的幾種(zhǒng)元激發(fā)之一。等離極化激元（plasmon polariton）是指光子與等離激元耦合形成(chéng)的一種(zhǒng)特殊電磁模式，是一種(zhǒng)半光子半電子的準粒子，是極化激元（polariton）中的一種(zhǒng)（還(hái)有聲子極化激元、激子極化激元等）。等離激元可以將(jiāng)光場局域到納米尺度，突破阿貝光學(xué)衍射極限，增強光子-電子-物質的相互作用，爲納米尺度光子的精确調控提供有效手段，對(duì)光電器件的納米尺度集成(chéng)、光子芯片、電催化與光催化都(dōu)具有重要意義。

　　雙曲等離激元是等離極化激元的一種(zhǒng)，其等頻面(miàn)爲雙曲型，具有雙曲光學(xué)色散行爲（表現爲平行與垂直于各向(xiàng)異性軸的介電常數滿足 ε_‖＇·ε_⊥＇＜0的關系），通常隻存在于光學(xué)各向(xiàng)異性材料中，如雙曲超材料（Hyperbolic Metamaterials）。雙曲光學(xué)色散會産生很多神奇的物理現象，例如理論上可以達到無窮大的動量、無限高的光場局域能(néng)力以及極大的光子态密度等，在超高分辨成(chéng)像、負折射率、光學(xué)隐身、光子态密度調制、增強自發(fā)輻射、拓撲光子學(xué)、非線性光學(xué)等前沿光學(xué)領域發(fā)揮著(zhe)重要作用。近年來，随著(zhe)柔性電子學(xué)與等離激元光子學(xué)的融合發(fā)展，對(duì)于柔性等離激元材料與器件的研究已經(jīng)成(chéng)爲學(xué)科的一個前沿熱點。盡管光學(xué)雙曲超材料的研究已取得了長(cháng)足進(jìn)展，但是兼具大尺寸（如晶圓級）、高熱穩定性、高柔性、高單晶性的雙曲超材料的研究仍進(jìn)展緩慢。

　　針對(duì)上述挑戰，中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所納米實驗室張如意助理研究員、曹彥偉研究員等，利用自主研制的磁控濺射外延系統（專利CN 217324268U、CN 212365927U），在前期的研究基礎上（ACS Photonics 8, 847 (2021), ACS Appl. Mater. Interfaces 13, 60182 (2021)），提出了在柔性氟晶雲母襯底（F-mica）上外延生長(cháng)TiN/ScN超晶格以構建柔性單晶雙曲超材料的思路（如圖所示），發(fā)展了一種(zhǒng)制備2英寸、難熔、柔性、單晶等離激元材料與器件的方法。與中科院物理所張慶華副研究員、谷林研究員合作，利用高分辨透射電鏡揭示了材料原子尺度的結構。與甯波材料所納米實驗室的高俊華副研究員、曹鴻濤研究員合作，通過(guò)橢偏光譜儀确認了材料的光學(xué)雙曲性質。該柔性TiN/ScN超晶格不但在可見光與近紅外光譜範圍内都(dōu)具有光學(xué)雙曲色散行爲，還(hái)表現出超低介電損耗，具有可媲美剛性單晶雙曲超材料的高品質因子。更重要的是，其熱穩定性（＞1000℃）和力學(xué)穩定性（＞1000次彎折）遠超由貴金屬/介質多層膜構建的雙曲超材料，例如由貴金屬/有機介質多層膜構建的柔性雙曲超材料的工作範圍一般小于100℃。

　　該工作發(fā)展了一種(zhǒng)構建高性能(néng)、高穩定性等離激元材料與器件的新方法，有望拓展柔性等離激元光子學(xué)與納米光子學(xué)器件的應用範圍。相關成(chéng)果以“Flexible but Refractory Single-Crystalline Hyperbolic Metamaterials”爲題發(fā)表在國(guó)際期刊Nano Letters上（DOI：10.1021/acs.nanolett.3c00512）。研究工作得到國(guó)家重點研發(fā)計劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金、甯波市重點研發(fā)計劃等項目的支持。

　　論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c00512

圖a.基于TiN/ScN 超晶格的柔性單晶雙曲超材料概念圖；b.2英寸雙曲超材料；c.柔性單晶雙曲超材料制備流程；d.透射電鏡圖；e.光學(xué)品質因子；f.1000℃高溫穩定性; g.可見光與近紅外波段光學(xué)雙曲色散行爲

　　（納米實驗室 張如意）