低成本溶液法制备低噪声/漂移硫系相变超表面及其可重构光电器件应用

这篇研究开创性地提出了一种溶液法合成硫系相变材料(PCMs)的新策略，成功制备出光学级Sb2S3薄膜，其非挥发性相变调制对比度与物理气相沉积(PVD)技术相当，但热光响应噪声降低10倍。通过构建首个溶液加工PCM超表面，实现了偏振敏感亚波长纳米光栅结构，为量子光子学和神经形态计算等前沿领域提供了低成本解决方案。

　　

Abstract
硫系玻璃作为可重构光电平台中的可编程层日益受到青睐。传统物理气相沉积(PVD)方法成本高昂，本研究开发了溶液法合成硫系相变材料的创新工艺。光学级Sb₂S₃薄膜可在多种基底上实现亚波长厚度沉积，其非挥发性相变调制对比度与PVD法制备的薄膜相当，同时具有显著降低的热光响应噪声。研究还首次实现了溶液加工相变超表面的制备，可图案化为偏振敏感亚波长纳米光栅结构。

1 Introduction
硫系相变材料(PCMs)基于硫族元素(硫、硒、碲)与砷、锑等网络形成体的共价键合，具有高折射率、红外透明性和显著光学非线性等特性。其非晶态-晶态相变可通过热、电或光刺激触发，在数据存储、通信和计算技术领域具有革命性应用。传统PVD/CVD技术需要超高真空环境，大幅增加生产成本。本研究通过湿化学溶液法实现了纳米级光学相变薄膜的沉积，突破了清洁室工艺限制。

2 Results and Discussion
实验采用碳二硫化物/乙醇混合溶液旋涂法制备Sb₂S₃薄膜，X射线衍射证实其可结晶为正交晶相。椭偏仪测量显示非晶态薄膜在λ=1550nm处折射率n≈2，消光系数k≈5×10^-4；晶态相变后Δn≈1.2，k≈0.26。特别值得注意的是，溶液法制备薄膜的热光系数(dn/dt)在1550nm处比PVD薄膜低10倍，表明其具有更高的环境稳定性。

通过聚焦离子束(FIB)刻蚀技术，成功制备了周期800-850nm的纳米光栅超表面。该结构表现出明显的偏振依赖特性：TE偏振光下观察到2-3dB的反射调制对比度，而TM偏振下仅约1dB。有限元模拟再现了实验结果，电场分布显示光被限制在高折射率介质中，形成类似回音壁模式的共振。

3 Conclusion
溶液加工硫系相变薄膜为智能光电设备提供了低成本解决方案。其光学对比度与PVD薄膜相当，而热漂移噪声显著降低，在零静态功耗非易失性信号调制方面具有独特优势。该方法特别适合与量子点、荧光纳米金刚石等发射体集成，为量子光子学平台开发新型PCM-发射体杂化复合材料奠定了基础。虽然当前采用FIB技术存在通量限制，但未来可通过纳米压印或干涉光刻等工艺实现大面积制造。溶液加工特性使其在柔性显示技术中具有巨大应用潜力，有望像液晶(LCD)技术一样引发显示和通信领域的革新。