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本文介绍了一种简化高效的全聚合物超表面（metasurface）制备方法，该方法仅需旋涂、曝光和显影三步，便能制造出支持连续体束缚态（BIC）、具有高品质因子（Q）的悬浮聚合物薄膜，克服了传统光刻工艺复杂、成本高昂且不环保的局限，为高性能光学器件的普及化和商业化开辟了新途径。
简化制造工作流程
传统光学超表面的制备通常依赖于复杂的多步工艺，包括金属或电介质沉积、剥离和反应离子刻蚀等，这些步骤不仅需要昂贵、耗时的专业设施，也限制了大规模生产和可持续性。本文的研究提出了一种革命性的解决方案：通过重新利用通常作为临时光刻胶的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为谐振器材料，将制造流程大幅简化为仅包含旋涂、曝光和显影三个核心步骤。由于聚合物的低折射率（RI）限制了有效光学模式的形成，研究者开发了一种双层（bilayer）配方，能够方便地制造出独立的悬浮薄膜，从而最大化其与周围环境的折射率对比。由于避免了刻蚀引起的缺陷，该薄膜具有高质量的纳米图案。
具有布里渊区折叠连续体束缚态的自由悬浮超表面的数值模拟
研究以自由悬浮的PMMA薄膜中周期性孔阵列为设计基础，其方形晶胞中心包含一个空位。在不存在内部损耗且正入射的情况下，只要孔尺寸相同，束缚态是非辐射性的，具有无限高的品质因子。为了访问原本的暗态，研究者通过周期性改变相邻孔的半径，在动量空间进行了布里渊区折叠（BZF），引入了一个辐射泄漏通道，将完美的连续体束缚态（BIC）转换为高品质因子的准连续体束缚态（qBIC）。扰动参数 α 量化了这种变化，定义为 α = (r1- r2)/r1= Δr/r1。在远场透射光谱中，这表现为两个由BZF诱导的qBIC的出现；根据其面内场分布，可区分为电模式和磁模式。其线宽和共振位置依赖于α，这展示了BIC结构对辐射损耗通道的高度可控性。共振波长可通过其他几何参数（如膜厚t和晶格周期p）进行调控。模拟显示，在α = 0.5的扰动配置下，电场近场增强有效地集中在孔洞中（最大增强因子 |E/E0| ≈ 18），这使得该平台成为有效近场光-物质耦合的候选者。在动量空间，研究证明了在Γ点（即 kx= ky= 0），存在两个简并的电模式，这使它们能够耦合到远场。而具有C4旋转对称性的结构中的非简并模式则不能辐射。偏离Γ点会破坏C4旋转对称性并解除qBIC的简并，产生两个取决于偏振的电模式。模式1在kx= 0 或 ky= 0的方向上表现出显著的角稳定性，而品质因子大致保持不变；模式2则对这些方向的变化敏感得多。远场偏振的模拟揭示了模式的拓扑性质，两个涡旋的偏振矢量围绕涡旋中心具有整数环绕数，对应的拓扑电荷为-1，这指向了qBIC的底层物理机制。
模拟证实，尽管聚合物的折射率较低（约1.5），但BIC机制使得自由悬浮的PMMA薄膜能够实现有效的模式限制，其品质因子可与高折射率材料相媲美。然而，由于周期性超表面会产生离散的衍射级次（即瑞利-伍德异常），当qBIC的共振波长与衍射边缘过于接近时，会因辐射泄漏到额外的非零衍射通道而导致强烈阻尼。对于放置在基底上的图案化PMMA薄膜，即使基底的折射率nsub很低，也会导致qBIC的强烈阻尼。由于低折射率对比以及由此导致的光功率耗散到基底中，这无法通过几何修正来避免。因此，挑战在于要么使用超低折射率基底，要么优选制造自由悬浮的聚合物薄膜。
自由悬浮PMMA超表面的实验实现与检验
为了实现自由悬浮薄膜而无需回归繁琐的沉积和刻蚀步骤，研究者提出了一种自上而下的双层光刻胶配方：在约1250纳米厚的牺牲层（由CSAR光刻胶构成）上旋涂一层300纳米厚的PMMA薄膜。PMMA溶解在乳酸乙酯中以防止与下层混合。PMMA膜的厚度由旋涂曲线和材料的机械完整性决定，可实现薄至200纳米的自由悬浮薄膜。在随后的电子束曝光过程中，利用了两种聚合物不同的灵敏度。施加200至250 μC/cm2范围的剂量将纳米孔阵列图案化到PMMA层中，而底层的CSAR则被过度曝光。这种选择性曝光使得牺牲CSAR层在显影过程中能够通过多孔的PMMA膜被完全去除，从而释放出自由悬浮的薄膜。由于使用了聚合物，既不需要沉积、刻蚀，也不需要剥离，减少了步骤也降低了出错概率。
研究者通过两种方式检查了图案化和悬浮的薄膜：首先，扫描电子显微镜（SEM）图像显示最终器件。超表面的周界被设计为圆形而非矩形，以均匀化应力分布，因为尖锐的拐角被发现会促进聚合物薄膜破裂。薄膜直径测量为30微米，而最大的制造超表面达到40微米。薄膜还设计了一个凹口，以验证牺牲层的去除和超表面的悬浮。值得注意的是，尽管厚度仅为300纳米，悬挂的PMMA几乎没有弯曲，且孔洞质量高，缺陷少。由于聚合物方法避免了任何图案转移，PMMA没有被刻蚀损坏。因此，最终结构的精度几乎完全依赖于高分辨率光刻步骤。超表面与基底之间的距离足够大，可以防止任何近场相互作用，确保光子响应不受基底存在的影响。其次，为了研究全聚合物超表面的机械性能，进行了原子力显微镜（AFM）测量，包括轻敲模式和接触模式，分别用于提取自由悬浮薄膜的弹簧常数和预张力。与SEM图像不同，轻敲模式下拍摄的图像显示超表面所在位置相对于周围环境存在凹陷，表明针尖施加的机械载荷使弹性薄膜向下弯曲。此外，研究者在超表面的多个位置进行了接触模式回扫曲线测量。测量结果表明，薄膜刚度随着与超表面周围块体材料距离x的增加而降低。为了描述超表面的弯曲，研究者采用了基尔霍夫板理论的简化模型，该模型将施加的力与膜的变形联系起来。由于超表面半径R（15微米）远大于其厚度t（300纳米），因此在t/R ? 1的极限下考虑载荷力F与位移δ的关系。由于F和δ之间的关系在此近似下是线性的，研究者对测量的回扫曲线拟合斜率，该斜率对应于膜的弹簧常数 κ = ?F/?δ。提取的弹簧常数具有位置依赖性，并随着与边缘距离的增加而急剧下降，范围从120 N/m到20 N/m。弹簧常数的大小量级及其在膜上的定性行为与先前对包含金纳米粒子夹层的聚合物悬浮纳米膜的研究相似。研究者观察到，对弹簧常数的主要贡献来自于预张力T，对于这种软材料来说，这个值非常高。研究者将这些数值归因于烘烤等制造过程，这些过程可能在悬浮前在PMMA中引入应力。
超表面的光学表征
实验光谱在透射模式下记录。测量结果与模拟结果吻合良好：在孔半径相同的未扰动情况下（α = 0），模式完全与辐射连续体解耦，因此在光谱中不存在；而半径扰动（α > 0）打开了辐射泄漏通道，电模式共振出现。通过拟合法诺共振确定测量的最高品质因子为523。研究者将模拟的偏差归因于非理想的照明条件以及有限尺寸效应。除了对线宽的控制外，研究者还通过按比例因子S缩放晶胞的横向尺寸，展示了共振位置的可调性。随着S从0.8增加到1.3，电qBIC共振从551纳米移动到838纳米，即从可见光波段移动到近红外波段。qBIC的几何驱动可调性及其对机械漂移和热加热的稳定性，使其能够高度适应特定应用需求，例如需要在高温下保持稳定的现场部署传感器。
此类传感器可用于表面吸附生物分子（如蛋白质）的无标记折射率传感。在模拟中，研究者研究了表面灵敏度 SS= Δλ / tA，其中Δλ描述了分析物结合时的共振位移，tA是折射率nA= 1.4的薄膜厚度。对于α = 0.5的电qBIC共振，研究发现SS= 0.96。先前的研究表明，涂有氧化铝纳米膜的硅柱中的边缘qBIC的SS= 1.12。考虑到本平台采用易于加工的低折射率聚合物并降低了制造复杂性，全聚合物方法的性能具有竞争力，可能在成本效益高的薄膜纳米传感器中找到应用。
结论与展望
本质上，研究者开发了一种全聚合物超表面，其在可见光和近红外波长具有几何可调的qBIC，品质因子高达523。双层制造方法仅包含旋涂、曝光和显影，在设施要求、时间和劳动力成本以及环境足迹方面优于传统制造工艺。同时，由于避免了刻蚀引起的缺陷，它提供了高质量的纳米图案。利用光刻代替电子束光刻还可以显著减少曝光时间，为高通量商业化铺平道路。然而，由于PMMA需要波长短于300纳米的辐射才能有效断链，因此要么需要使用适当的深紫外光曝光，要么需要添加化学试剂以将PMMA的断链敏感性扩展到更长波长。CSAR对于光刻的适用性仍有待研究。或者，也可以考虑使用不同光刻胶组合（如BCI 3511和SUN-9i）的成熟双层光刻工艺。
此外，研究者展望了该方法在实现特殊用途方面的扩展，例如材料混合（例如与用于激光应用的发光粒子混合，或与氧化铝纳米粒子混合以提高折射率用于水环境）。这些粒子可以根据已知的溶液浇铸技术与PMMA共混。倾斜电子曝光可以进一步实现手性光子学。悬浮膜超表面能够承受至少0.6 μN的载荷而不破裂，并表现出20 N/m及更高的弹簧常数。这种机械稳定性表明该平台可直接用于构建坚固且廉价的纳米传感器，能够抵抗振动和其他形式机械应力等环境扰动。聚合物的稳定性可以通过交联进一步提高。薄膜的灵活性可能为进一步实现几何参数的光学响应的可逆机械调谐提供有希望的基础，可能同时与应变工程材料（如二维过渡金属硫族化物）结合以增强光致发光。薄膜的强近场增强将同时增强与此类材料的光-物质相互作用。可以将二维材料转移到暴露的聚合物堆栈上，然后在释放薄膜之前显影器件。在这种情况下，需要排水通道以允许薄片下方的聚合物被去除。研究者希望为开发具有多种应用的可及、高性能超表面做出贡献。
