《Nano Letters》：Wide-Angle Emission in Cylindrical Moiré Lattices Enabled by Rolling Origami
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传统莫尔光子晶格中，受限光学模式的发射方向通常固定，实现宽角度发射是重大挑战。本研究利用纳米膜折纸技术，将单层莫尔光子晶格设计并制备成圆柱形结构，实现了局部模式在保持稳定单模工作和优异光谱均匀性的同时，进行宽角度发射。该研究为开发曲面上的莫尔光源提供新途径，在三维成像、激光雷达和拓扑态操控等需空间光调控的应用中潜力巨大。
扭曲范德华（van der Waals）异质结因其独特的结构特性及相关奇异物理现象，已成为一个活跃的研究领域。其中，在特定“魔角”下出现的平带（flat band）为探索强关联电子现象（如莫特绝缘态、非常规超导）提供了理想平台。这一强大的“魔角”概念被成功引入光子学领域，通过扭曲两个光子晶体（photonic crystal）平板形成莫尔超晶格（moiré superlattice），为操纵电磁场提供了新维度。与电子系统类似，这类扭曲光子结构为研究光子平带的形成、光子态的局域化、偏振控制、能带结构的频率调谐以及连续体中的束缚态（bound states in the continuum）工程提供了稳健的理论框架。在光子莫尔超晶格中，光学耦合通常通过精细调节光子晶体层间的间隙或利用空间光干涉实现。一种更便捷的方法是设计单层结构，使其等效于堆叠两层光子晶体，其简易性和与标准平面半导体工艺的兼容性备受青睐。此类莫尔超晶格凭借平带带来的高品质因数（high quality (Q) factor）和小模体积（small mode volume）等特性，已在莫尔激光器和腔量子电动力学新平台等方面展现出重要应用前景。然而，尽管莫尔光子晶体在基础研究和实验验证中已被广泛探索，但由于缺乏调控其固定结构的有效策略，其空间发射方向性仍然受限。尽管已有开创性方法可通过调制单个单元胞的相位来调谐发射方向，但利用简单的调制方案实现宽角度发射范围仍是重大挑战。
为解决传统平面莫尔光子晶格发射方向固定、难以实现宽角度光发射的问题，并探索在曲面上操控光场的可能性，研究人员在《Nano Letters》上发表了一项研究。他们利用纳米膜折纸（nanomembrane origami）技术，将单层莫尔光子晶格设计并制备成圆柱形几何结构。这种方法成功实现了局部模式在很宽角度范围内的发射，同时保持了稳定的单模操作和优异的光谱均匀性。该工作不仅为在曲面上研究莫尔光子学建立了一个多功能平台，也为开发具有可控空间发射的下一代光子器件奠定了基础，在集成光通信、成像和量子信息处理等领域具有应用潜力。
为开展此项研究，作者主要应用了纳米膜折纸自卷曲技术、电子束光刻与干法刻蚀微纳加工技术、以及基于COMSOL Multiphysics的电磁场数值模拟。他们首先在平面衬底上沉积应变氮化硅（SiNx）纳米膜并定义莫尔图案，随后通过选择性刻蚀牺牲层释放应变，使平面结构自卷曲形成圆柱形莫尔超晶格。通过激光共聚焦系统进行角度分辨光谱测量和空间强度扫描，表征了模式的发射特性、光谱和空间局域性。
研究结果
1. 圆柱形莫尔超晶格的制备与表征
研究人员通过自卷曲技术，将预应变的二维莫尔超晶格层转化为三维圆柱形结构。图1展示了其制备过程和结构形貌。莫尔图案由两组纳米孔三角形晶格定义，其平移周期性由两者之间的有效扭转角θ决定。扫描电子显微镜图像显示了在4.41°、5.09°、6.01°和7.34°等不同扭转角下制备的莫尔超晶格（图2b-e）。
2. 平带模式与光学局域化
通过三维电磁场模拟，研究了莫尔超晶格支持的局域模式。模拟表明，在6.01°扭转角下，莫尔超晶格在面内和面外方向均表现出强光学限制（图2a）。计算得到的能带结构证实了平带的存在，其平坦度Δf随扭转角增大而增加（4.41°、5.09°、6.01°和7.34°对应的Δf值分别为1.86、3.52、6.61和11.56 THz），这与扭转角和平带形成之间的预期关系一致。模式面积计算表明，光被限制在波长尺度内，有利于增强光与物质相互作用。2的三维分布，以及顶视图和侧视图平面中的横截面图。(b)-(e) 分别为扭转角为4.41°、5.09°、6.01°和7.34°时的莫尔超晶格SEM图像及对应的能带结构。比例尺：2 μm。">
3. 局域模式的实验表征与周期性
对扭转角为4.41°的圆柱形莫尔晶格进行了系统测量。局域模式光谱显示出一个单峰，其半高全宽为0.28 nm，对应的Q因子为2.3 × 103。二维模式强度扫描显示，模式被很好地局域在单个单元胞内（图3a插图）。沿圆柱结构轴向的线扫描揭示了周期性的强度分布，其周期与晶格周期性精确吻合（图3b）。
4. 宽角度发射特性
对圆柱形莫尔晶格进行了角度相关测量，以表征其发射行为。测量了扭转角分别为4.41°、5.09°、6.01°和7.34°的四个样品在不同倾斜角φ（入射激光束与衬底表面法线之间的角度，从-30°到30°）下的发射光谱（图4a）。峰值强度图显示，所有样品在600-700 nm波长范围内均表现出明显的局域发射模式（图4b）。光谱在强度上表现出优异的均匀性，最强峰与最弱峰之间的变化小于3 dB。除了中心峰外，还观察到了源自弱局域化高阶偶极模式的弱边带。随着扭转角减小，单元胞尺寸增大，可以支持更多的偶极模式（图4c, d）。
研究结论与意义
本研究成功在单层圆柱形莫尔晶格中实现并演示了局域模式的宽角度范围发射。该系统表现出鲁棒的局域模式以及优异的光谱均匀性，这得到了能带结构计算、模式分布模拟和空间扫描测量的一致证实。在不同取向下观察到的发射特性一致性，验证了局域模式发射的宽角度范围。该工作通过纳米膜折纸技术将平面莫尔光子晶格转化为三维圆柱结构，巧妙地利用结构的曲率，打破了传统平面结构对光发射方向的限制。圆柱形莫尔晶格展现出小模体积和优异的单模特性，这得益于低折射率对比度和曲率诱导的非局域弗洛凯（Floquet）波抑制。此外，该结构通过与钙钛矿或其他半导体纳米结构等光学增益介质集成，在实现激光发射方面展现出巨大潜力，为未来开发空间激光光源提供了有希望的途径。总而言之，这项工作不仅为在曲面上探索莫尔光子学建立了一个通用平台，更重要的是为开发具有可控空间发射的下一代光子器件奠定了基础，在集成光通信、三维成像、光探测和测距（激光雷达）以及量子信息处理等领域具有重要的应用前景。
