基于硅热驱动非晶态到晶体转变的光谱可调窄带光子器件

《Advanced Photonics Research》：Spectrally Adjustable Narrowband Photonic Device Based on Heat-Driven Amorphous-to-Crystal Transformation of Si

硅热光学效应与结晶化调控红外光子器件光谱特性研究。摘要：采用Si/SiO?分布式布拉格反射器（DBR）结构，通过热诱导的α-Si到多晶Si结晶相变实现红外共振波长高达100 nm的精确调节。基于多层结构优化设计，在750°C真空退火后获得亚纳米级光谱分辨率，热发射效率达90%。实验证实该不可逆相变机制可稳定工作至750°C，并成功应用于CO?气体传感器和工业热辐射源开发。

　　现代红外（IR）纳米光子器件在实现高度谱选择性方面提出了极大的挑战，特别是在需要精确控制共振波长和光谱性能的场景下。这类器件广泛应用于热发射器、光谱传感器、激光雷达（LIDAR）模块、辐射加热器以及热光伏系统等领域。为满足这些应用对光谱性能的严格要求，研究者们探索了多种物理机制来实现光子器件的可调性，包括机械、电学、光学和热学调控方法。其中，热学调控方法因其在红外波段的高精度和可操作性，成为近年来研究的热点。本文探讨了一种基于硅（Si）的热光学效应，利用其从非晶态（α-Si）向晶态（c-Si）转变的特性，实现了红外光子器件在波长范围内的广泛可调性。

硅作为重要的半导体材料，因其在红外波段的高折射率和低光学损耗特性而受到关注。其非晶态结构具有较高的热光学系数，这一特性在热光学调控中尤为重要。然而，传统上基于硅的光子器件在热调控下的波长调整幅度通常不超过20纳米，难以满足某些高精度应用的需求。为突破这一限制，研究团队提出了一种新的方法，通过控制硅的非晶态到晶态的转变过程，使得其折射率发生显著变化，从而实现更宽范围的波长调整能力。这一方法在红外波段内实现了高达100纳米的波长可调性，同时保持了极窄的光谱带宽，为高精度红外光谱设备的开发提供了新的思路。

硅的非晶态到晶态的转变是一个由温度驱动的不可逆过程。这一过程在高温下自然发生，因为晶态结构的能量更低，具有更稳定的物理特性。通过调节加热时间和温度，可以控制硅的晶化程度，进而影响其折射率的变化。这种方法的优势在于，一旦完成晶化，硅的折射率不再随温度变化而改变，从而保证了光子器件在工作温度范围内具有良好的光谱稳定性。这种不可逆性虽然限制了其可逆调谐的能力，但同时也确保了器件在长期使用中不会因温度波动而产生性能变化，提高了其在复杂环境下的可靠性。

为了验证这一策略的有效性，研究团队设计并制备了基于分布式布拉格反射器（DBR）结构的多层光子器件。通过使用硅和二氧化硅（SiO?）交替层构建DBR结构，可以有效增强光子器件的共振性能。在非晶态到晶态的转变过程中，硅的折射率显著降低，导致共振波长向短波方向移动。实验结果显示，经过不同温度和时间的热处理后，硅的折射率从3.7逐渐下降至3.4，从而实现了对共振波长的精确调控。这一调控能力不仅体现在波长范围的扩展上，还体现在其可重复性和稳定性上，为高精度光谱应用提供了坚实的基础。

实验中采用了一系列表征手段来验证硅的晶化过程及其对光子器件性能的影响。通过光学显微镜和拉曼光谱分析，研究团队能够观察到硅薄膜在不同热处理条件下的结构变化。拉曼光谱显示，随着温度的升高，硅的非晶态结构逐渐向晶态转变，且不同晶化程度下的拉曼峰位置和强度也发生了相应变化。此外，扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析进一步揭示了硅薄膜的晶化过程及其微观结构变化。这些实验结果表明，硅的非晶态到晶态的转变不仅具有可控性，还能显著改善其光学性能，从而提高光子器件的吸收效率和光谱选择性。

在实际应用中，这种基于热驱动的硅晶化调控策略展现出广泛的前景。例如，在非分散红外（NDIR）气体传感领域，硅晶化导致的波长调整能够实现对特定气体分子的高灵敏度检测。实验中，研究团队利用该方法制备了能够发射特定波长的热发射器，并将其应用于二氧化碳（CO?）检测。结果显示，经过热处理后的硅结构能够实现高达87纳米的波长偏移，与实验数据高度吻合。这种高精度的波长调整能力，使得单一光子结构可以适应多种气体分子的检测需求，从而显著提升了设备的多功能性和适应性。

此外，这种热驱动的波长调整策略还适用于其他高折射率材料，如锗（Ge）。通过控制这些材料的非晶态到晶态的转变，可以实现类似的光谱调整效果。这种方法不仅拓宽了可调光子器件的材料选择范围，还为高精度红外光谱设备的设计提供了新的方向。相比于传统的相变材料（如二氧化钒VO?和硫属化合物GST），硅的晶化过程在高温下更为稳定，且其低光学损耗特性有助于提高器件的光热转换效率。

研究团队还探讨了该方法在工业应用中的潜力。例如，在红外干燥和加热过程中，高精度的波长控制能够有效激发特定分子的吸收特性，从而提高能效。同时，通过结合热发射器和窄带完美吸收结构，可以构建高分辨率的红外光热传感器。这种传感器可以实现对目标分子的精确识别，同时抑制其他非目标波长的干扰，从而提高检测的准确性和可靠性。

实验中使用的设备和材料也具有重要的意义。例如，LaB?作为金属反射层，能够在高温下保持高反射率，同时具备良好的化学稳定性。这一特性使得基于LaB?的热发射器能够在高温环境下稳定工作，从而拓宽了其应用范围。此外，二氧化硅层作为光学腔的介质，能够有效增强硅晶化过程中的光子共振效应。通过精确控制各层的厚度和结构，研究团队实现了对共振波长的高精度调整。

综上所述，本文提出了一种基于硅非晶态到晶态转变的热驱动光谱调整方法，为高精度红外光子器件的开发提供了新的思路。该方法不仅能够实现宽范围的波长调整，还能保持极窄的光谱带宽，从而满足对光谱分辨率要求极高的应用需求。同时，该方法具有良好的热稳定性和可重复性，适用于多种高折射率材料，并为红外传感器、热发射器以及相关工业设备的设计和制造提供了重要的技术支撑。这一研究不仅推动了光子学领域的发展，也为未来在红外光谱技术、热管理以及环境监测等方面的应用奠定了基础。