全波段可见光下突破非晶硅光学损耗壁垒：通过掺杂控制的化学气相沉积

《SCIENCE ADVANCES》：Breaking the optical loss barrier in amorphous silicon across the full visible spectrum via dopant-controlled chemical vapor deposition

为拓展可见光波段纳米光子器件中高折射率、低损耗介电材料的有限选择，研究人员利用等离子体增强化学气相沉积技术，通过精准调控氢化和氧掺杂，成功制备出全波段可见光透明的氢化非晶硅和具有高色散性的氧掺杂氢化非晶硅薄膜，不仅实现了高达3.48的折射率与低至0.084的消光系数，更在金属透镜和光束分束器等器件中展示了高效率，为高性能纳米光子器件设计提供了新材料平台。

　　

在构建纳米级光学器件时，设计师们的“材料库”常常捉襟见肘。特别是在我们人眼能感知的可见光波段，高性能介电材料的选择更是凤毛麟角。传统的明星材料，如用于红外波段的氢化非晶硅(a-Si:H)，虽然折射率(n)够高，却在可见光下因为吸收损耗（消光系数k太大）而变得不透明。而可见光波段常用的二氧化钛(TiO₂)和氮化硅(Si₃N₄)，前者制备工艺与主流的半导体工艺不兼容，后者的折射率又偏低，限制了器件设计的自由度与性能上限。这个“鱼与熊掌不可兼得”的困境，长久以来制约着超透镜、全息显示等前沿光学器件的发展。为此，研究人员将目光投向了最常见的半导体材料——硅，但这一次，他们通过微观层面的原子工程，对非晶硅进行了“精装修”，目标是造出既“透光”又“高效”的可见光新材料。这项题为《Breaking the optical loss barrier in amorphous silicon across the full visible spectrum via dopant-controlled chemical vapor deposition》的研究发表在顶级期刊《SCIENCE ADVANCES》上，为纳米光子学领域带来了重要突破。

为了深入研究，作者团队主要采用了以下几种关键技术与方法：首先，利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术，通过精确调控沉积温度(T_s)、腔室压力(P_c)以及反应气体（SiH₄、H₂、O₂）的配比，实现了对氢化非晶硅(a-Si:H)和氧掺杂氢化非晶硅(a-SiO_x:H)薄膜成分与结构的可控生长。其次，采用光谱椭偏仪精确测量了薄膜的复折射率（n与k）。接着，运用拉曼光谱、二次离子质谱(SIMS)和X射线衍射(XRD)对薄膜的原子键合构型（如Si-H、Si-H₂键、纳米晶相与非晶相比例）、掺杂浓度及微观结构进行了表征。最后，结合密度泛函理论(DFT)计算，从原子层面模拟并解释了氢原子附着对材料光学性质的影响规律。

研究结果部分如下：

Bandgap engineering of a-Si:H and a-SiO_x:H

通过系统性地调控PECVD工艺参数，研究人员成功实现了对a-Si:H薄膜带隙的工程化。他们发现，在较低的沉积温度（如T_s= 100°C）和特定的腔室压力下，可以制备出在全可见光波段透明（即k值很低）的a-Si:H薄膜，其最小消光系数在486.1 nm处可低至0.084。同时，通过在沉积过程中引入氧气(O₂)，可以制备出a-SiO_x:H薄膜，该材料展现出极大的光学色散（阿贝数V < 10），即在不同的可见光波长下折射率变化显著。测量结果显示，透明a-Si:H在可见光波段的平均折射率(n_avg)达到3.02，最高折射率(n_max)为3.48，超过了传统透明光学材料（如ZnSe）。

Atomic configuration of high-refractive index, visibly transparent a-Si:H

研究进一步揭示了高折射率透明a-Si:H的原子构型与其光学性质之间的联系。通过拉曼光谱分析，发现具有较高折射率的样品中同时存在非晶硅(a-Si)和纳米晶硅(nc-Si)相，并且含有较多的Si-H₂键，这表明材料内部存在微孔结构。二次离子质谱(SIMS)检测到了沉积过程中的氧污染。密度泛函理论(DFT)计算表明，在非晶硅网络中附着适当数量的氢原子（如15个）可以最大化折射率，而过量的氢则会降低折射率。这些原子层面的分析阐明了工艺参数如何通过改变Si-Si键网络、氢钝化程度和微孔结构来最终调控薄膜的光学性能。

Atomic configuration of highly dispersive a-SiO_x:H

对于高色散的a-SiO_x:H薄膜，研究分析了其色散特性的结构成因。拉曼光谱显示，在较低的沉积温度（100°C）下，Si-H键得以保留；而在较高温度（300°C）下，输入的O₂会消耗Si-H键并形成O-SiH键。研究指出，通过调整沉积条件以获得较高的Si-H和Si-H₂含量（即形成更多的微孔），可以获得具有高光学色散的a-SiO_x:H材料。与传统介电材料相比，a-SiO_x:H在较低的平均折射率下能实现更大的色散，这为设计波长解耦的光学器件提供了关键材料特性。x:H.">

Nanophotonic applications with the a-Si:H and a-SiO_x:H

为了验证新材料的性能优势，研究人员将其应用于具体的纳米光子器件中。首先，利用高折射率的透明a-Si:H设计并制造了几何超表面金属透镜。理论分析和数值模拟均证实，高折射率可以有效抑制消光系数对偏振转换效率的不利影响。实验制备的金属透镜在450 nm、532 nm和635 nm波长下分别实现了66.3%、92.0%和97.0%的模拟转换效率，实测效率也分别达到37%、84%和61%。其次，利用a-SiO_x:H的强色散特性，设计了一种波长解耦光束分束器。该器件能够在635 nm波长下将光束偏转到特定角度，同时对450 nm波长的光影响最小，实现了3.67倍（模拟）和3.33倍（实测）的 steering intensity contrast（导向强度对比度）。这证明了新材料在实现多功能、紧凑型光子器件方面的巨大潜力。x:H.">

研究结论与讨论部分总结指出，本研究通过PECVD工艺对a-Si:H和a-SiO_x:H的原子结构进行“按需工程”，成功突破了非晶硅在可见光波段的光学损耗壁垒。所制备的透明a-Si:H拥有创纪录的高折射率，而a-SiO_x:H则表现出独特的高色散特性。这两种材料不仅显著扩展了可见光介电材料的设计空间，其制备工艺还与成熟的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容，确保了大规模制造的可行性。与需要权衡光学性能与制造兼容性的传统材料（如TiO₂）或性能有限的其他材料（如Si₃N₄）相比，本研究提出的硅基介电材料提供了一种兼具高性能与高实用性的解决方案。这项工作不仅推动了高折射率纳米光子学的基础科学研究，也为生物集成光学、增强现实/虚拟现实(AR/VR)等新兴商用技术提供了关键的材料基础，有望催生更高效、功能更丰富的下一代光学器件。