纳米级三维打印实现可见光波段近全反射玻璃光子晶体的突破

针对低折射率材料难以实现高反射率光子晶体的难题，研究人员开发出新型Glass-Nano树脂，通过双光子光刻（TPL）和650°C烧结技术，成功制备出周期小至260 nm的三维玻璃光子晶体（PhCs），在可见光波段实现近100%反射率。该研究为柔性光学传感器和光波导等低折射率光子器件提供了新范式。

　　

论文解读

研究背景

在纳米光子学领域，玻璃因其高透明度和稳定性成为理想光学材料，但传统方法难以实现纳米级三维结构加工。尤其对于低折射率（low-RI）材料如二氧化硅（SiO₂），其光子晶体（Photonic Crystals, PhCs）在可见光波段的反射率通常不足50%，严重制约了柔性光学器件和集成光路的发展。此前，高折射率材料（如TiO₂）虽能实现全带隙，但加工温度高达1300°C且兼容性差。如何通过低温工艺实现低折射率材料的高性能光子晶体，成为亟待突破的瓶颈。

研究设计与技术方法

为解决上述问题，中国科学院的研究团队开发了有机-无机杂化树脂Glass-Nano，其主要成分为丙烯酰氧基丙基多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）和双酚A二丙烯酸酯（BPADA）。通过双光子光刻（Two-Photon Lithography, TPL）技术打印三维结构后，在650°C空气中烧结去除有机物，转化为纯SiO₂玻璃。关键实验技术包括：热重分析（TGA）确定分解温度、X射线光电子能谱（XPS）验证材料纯度、有限时域差分法（FDTD）模拟能带结构，以及角度分辨反射光谱测量。

研究结果

1. 树脂配方与制备工艺
Glass-Nano树脂通过优化POSS浓度（3%-20%）和交联剂比例，实现打印后体积收缩率达118倍，最终获得260 nm周期的结构（图1）。热重分析显示有机物在625°C完全分解（图2A），XPS和傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实烧结产物为高纯度SiO₂（图2B-C）。

2. 光学性能突破
钻石结构PhCs在可见光波段反射率接近100%（图1F），远超此前低折射率PhCs的10-50%反射率。角度分辨测量显示，-20°至20°入射角范围内均保持高反射（图3C-D），而类金刚石结构因对称性差异仅能在±10°内实现高反射（图S12）。

3. 能带结构解析
通过MIT Photonic Bands（MPB）软件计算发现，[001]晶面终止的PhCs在560-590 nm波长存在局部带隙（图4B-D），与实验测量的反射峰高度吻合（图4E）。这种部分带隙源于体相布里渊区中Γ和X点的能带重叠，而非传统全带隙。

结论与意义

该研究通过材料创新与工艺优化，首次实现了低折射率三维玻璃光子晶体的近全反射特性。其重要意义在于：

1. 工艺革新：将烧结温度从1300°C降至650°C，且分辨率突破衍射极限；
2. 理论验证：通过投影能带结构解释了部分带隙的形成机制，为低折射率光子器件设计提供新思路；
3. 应用拓展：高均匀性PhCs可提升柔性光学传感器信号强度（如文献32所述），并为光纤兼容器件（文献26）奠定基础。

论文发表于《Science Advances》，标志着纳米级玻璃加工技术的重大进步，未来有望推动自组装系统和可拉伸光电器件的发展。