通过极化增强多晶钛酸钡超表面的电光调制性能

《ACS Photonics》：Electro-optic Modulation in Polycrystalline Barium Titanate Metasurfaces Enhanced by Poling

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利用钛酸钡（BaTiO3或BTO）中的强Pockels效应的电调谐超表面为可重构的自由空间光学器件提供了一个有前景的平台。然而，外延BTO薄膜的高成本、有限的可扩展性和有限的基底兼容性阻碍了其应用。在这里，我们展示了基于压印BTO超表面的自由空间光调制器，这些超表面具有针对活性材料内光场和电场限制的定制设计。通过展示高达200的高品质因子的共振，我们在低于伏特的驱动幅度和高达5 MHz的频率下实现了改进的传输调制。通过铁电畴的排列，调制强度比无偏置情况提高了高达25%，与之前的演示相比提高了高达75%。这种增强的EO响应源于这些多晶超表面中的有效介电常数工程和畴定向，对可扩展且高效的光调制器和活性超表面具有重大潜力。

1. 引言
铁电材料因其广泛的应用而最近引起了相当大的兴趣，包括非易失性存储器、(1,2) 铁电光伏、(3) 以及声光或电光（EO）器件。(4,5) 在需要高速数据传输的电信领域，需要具有大EO系数和超出kHz范围的调制带宽的非中心对称材料。虽然铌酸锂（LiNbO3）在集成(6)和自由空间器件中得到广泛应用，并实现了超过GHz的调制速度(7-9)，但由于其块状形式的显著EO系数r42 = 1300 pm/V(未施加偏压时)，钛酸钡(BaTiO3或BTO)也受到了关注。(10) 然而，块状BTO的有限集成性和可扩展性促使研究人员通过分子束外延、金属-有机化学气相沉积、射频溅射、脉冲激光沉积和剥落等技术来制备BTO薄膜。(11-16) 尽管在Si上的外延BTO已经实现了r42 = 923 pm/V的高速EO调制(17)，但外延层的生长仍然能源效率低下且受基底兼容性的限制。
相比之下，湿化学技术（如溶胶-凝胶法）提供了一种多功能且可扩展的方法，并且与软纳米压印光刻(SNIL)兼容。这种无蚀刻的自下而上的工艺能够在各种基底上压印纳米结构，并已被用于制造线性和非线性超表面。(18-21) 此外，这些材料的多晶性为设计和光学表征其有效的偏振独立EO性能提供了更简单的平台。(22) 然而，BTO的随机取向晶粒导致有效EO系数约为27 pm/V，(23) 尽管如此，这仍然与单晶LiNbO3相当。(24) 通过永久定向这些多晶材料的铁电畴（称为极化），可以实现EO响应的进一步增强。在室温下，BTO保持四方相，由于每个单元格中Ti+离子沿c轴的位移，表现出自发极化。(10) 然而，在单个晶体中存在多个铁电畴，它们可以具有a轴（平面内）或c轴取向。在BTO的四方相中，通过形成相反的180°或正交的90°畴来发生极化反转。单晶BTO的高EO系数促使人们研究钙钛矿氧化物中的畴效应，最近在畴排列(25,26)以及晶体的周期性极化(27)方面取得了成就。此外，对超薄BTO薄膜中的铁电开关的研究表明，无论是外延还是多晶BTO薄膜都可以实现接近块状材料的矫顽场和残余极化值。(28-30) 这些进展对于EO调制器尤为重要，特别是那些基于多晶BTO薄膜和3D结构的调制器，因为稳定的残余极化可以引入内置的双折射，从而增强EO响应而无需连续偏压。
在这种背景下，极化稳定性已成为一个重要的评价指标。虽然单晶和外延铁电材料（如BiFeO3和PbTiO3）的极化保持期超过一年(31-33)，但在多晶薄膜中的极化保持主要受晶界、局部电场不均匀性和晶粒大小依赖的畴稳定性控制。(34-36) 这些因素与单晶中观察到的由畴壁缺陷引起的极化弛豫形成对比。溶液法制备的BTO允许通过调整参数（如最终退火温度）来优化晶粒大小，从而延长极化保持时间。(37) 尽管与多晶性相关的畴动态复杂，但由于其相对较高的有效EO系数，BTO在器件集成方面仍然具有竞争力。为了进一步增强这种Pockels响应，一些研究在单晶和溶液处理的多晶BTO薄膜上开发了基于晶格匹配缓冲层的集成EO调制器。(38,39) 这种生长提供了方向性，并减少了生长BTO薄膜中的应力，使得这样的平台有望用于未来的EO器件极化。
沿着开发基于多晶BTO的调制器的相同方向，之前的一项工作报道了一种有前景的EO超表面性能，显示了用于大规模和高速自由空间器件的潜力。(20) 该超表面由嵌入SiO2间隔层中的BTO柱组成。在这种情况下，使用玻璃基底，顶部和底部的氧化铟锡(ITO)作为透明电极，从而能够表征器件的传输调制。通过施加1.5 V的交流(AC)电压和400 kHz的驱动频率，测量到的幅度调制达到了0.04%。然而，电场在低介电常数的SiO2覆盖层中比在发生Pockels效应的BTO柱中更强。这表明需要优化设计以进一步最大化非线性材料内的电场和光场重叠。

受到多晶BTO器件在纳米光子器件中展示的潜力的驱动，在本研究中，我们专注于基于通过SNIL制造的溶液处理的多晶BTO超表面的透明自由空间EO调制器的有效介电常数工程。通过设计支持高电场并在低驱动电压(≤1.5 V)下工作的夹层型器件架构，我们实现了纳米结构BTO内的铁电畴排列，从而增强了传输调制。此外，我们表明EO调制提供了间接且易于获取的极化过程及其时间稳定性的探针。这些结果为开发具有增强EO性能的、与CMOS兼容的多晶铁电纳米光子器件指明了一个有前景的方向。

2. 结果与讨论
这里研究的透明自由空间EO调制器具有夹层型电极配置（图1a），其中包含由溶液处理BTO纳米柱阵列组成的共振超表面（图1b）。这些纳米结构是通过使用 inverse polydimethylsiloxane (PDMS) 模具在熔融石英基底上进行的无蚀刻SNIL工艺制成的，选择这种基底是为了确保最小的传输损耗。随后，压印结构在800°C下退火2小时（制造和几何细节在实验部分）。更具体地说，我们研究了两种不同的器件架构，旨在增加BTO柱内的电场强度。当绝缘的平面化SiO2层沉积得比超表面柱的高度更大时，低介电常数的SiO2薄膜捕获了大部分施加的电压，从而减少了高介电常数BTO内的场强。(20) 为了减轻这种效应，一种方法是减少SiO2平面化层的厚度以匹配柱的高度（图1c,d），此后称为嵌入式器件。我们提出的另一种解决方案是完全消除SiO2层，而是在BTO纳米结构上共形沉积ITO电极（图1e,f），此后称为共形器件。在这两种方法中，都在BTO纳米结构和顶部电极之间加入了一个20纳米厚的AlOx绝缘层，以确保在场应用期间的电气隔离。值得注意的是，这两种方案都保持了1.5 V的低工作电压以及50 × 50 μm2的小尺寸，这使它们与CMOS驱动电路兼容。(40)

图1
图1. 钛酸钡（BTO）超表面的结构配置。(a) 用于在施加的AC电压下演示传输信号的电光调制的器件示意图。BTO柱埋入SiO2层中，并在覆盖的SiO2层上沉积了共形的AlOx薄膜。(b) 以30°倾斜的扫描电子显微镜（SEM）视图，显示了由周期为p = 500 nm、直径为d = 200 nm的BTO柱阵列组成的压印超表面的顶视图。(c) 嵌入式配置的示意图，其中SiO2被蚀刻到柱的高度。(d) 嵌入式器件的横截面SEM。(e) 共形配置的示意图横截面，其中AlOx和ITO共形沉积在纳米结构上。(f) 共形器件的横截面SEM。所有横截面SEM图像都是使用聚焦离子束（FIB）铣削制作的。图(d)和(f)中显示的器件是在硅基底上制造的克隆器件，为了更好的成像质量，在超表面下方没有接地ITO电极。

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为了验证器件架构对EO性能的影响，对两种器件进行了有限元方法（FEM）模拟。通过调整meta-原子的半径和周期，使其共振位于750–790 nm的范围内，对应于用于传输调制测量的可调激光。由于器件堆叠的差异，每种配置都需要单独优化（包括相对介电常数值的模拟细节在SI部分1中）。图2a–d显示了在783.6 nm和768.6 nm的最优波长下，嵌入式和共形器件的电场和光场分布。在两种器件的顶部电极上施加了1.5 V的正电位，以研究电场分布并估计BTO中的折射率变化（Δn）。然而，从考虑材料相对介电常数的FEM模拟中可以看出（SI第1部分的详细信息），从施加的1.5 V电压来看，大约有0.6 V实际上降落在活性材料上，而大部分落在AlOx和SiO2层上（图2a,c）。这表明，尽管共形器件在BTO柱内显示出更高的电场，但嵌入式配置中较大的柱高度弥补了这一差异，导致BTO上的电压降相当。此外，这些模拟将BTO残余薄膜和纳米柱视为均匀介质。更真实的表示，包括随机取向的畴、低介电常数的晶界和空气夹杂物（如图1d,f的横截面中所见），很难纳入模型。因此，活性BTO材料中的估计电场应被视为这种器件的上限，而铁电材料中的有效场可能会更低。总体而言，为了增加超表面中的施加场强，最小化这些绝缘层的比例是至关重要的。

图2
图2. 两种电光器件配置的电场和光场模拟。图(a)和(b)分别显示了783.6 nm时嵌入式结构的电场和光场有限元模拟。图(c)和(d)分别对应于768.6 nm时共形结构的电场和光场分布。图(a)和(c)中的电场线以白色显示。图(b)和(d)中电场（a,c）和光场（b,d）的颜色刻度显示在右侧。对于电场，颜色刻度在5 MV/m处饱和，AlOx和SiO2的最大场强为120 MV/m（用绿色表示）。图(d)右下角显示的刻度尺和坐标轴对所有模拟都是通用的。

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最佳的EO性能需要满足电场和光场分布的空间重叠，这可以通过重叠积分因子来量化。(41) 电场和光场诱导场的组合在嵌入式器件中表现出27%的模式重叠积分，在共形配置中为37%。此外，BTO柱中强电场强度的增加暗示了Δn的相应增加，考虑到Δn与应用电场E之间的比例关系，即Δ??=?12·??eff·??3·??，其中reff是有效EO系数，n是材料的有效折射率。对于嵌入式纳米结构，模拟（图2a）预测BTO柱中的电场强度比之前的设备提高了10倍（(20)），而对于共形结构，模拟显示提高了13倍（图2c）。因此，预期的增强电场将导致Δn的相应增加，从而提高设备的调制效率。考虑到我们的多晶BTO在750-790纳米波长范围内的平均折射率为1.91（通过先前研究中的椭圆偏振测量确定(20)），以及有效EO系数为27 pm/V(23)，计算出BTO柱中心的预期折射率变化分别为Δnembed = 1.8 × 10–4（对于嵌入式配置，Eembed = 1.9 MV/m）和Δnconf = 2.3 × 10–4（对于共形结构，Econf = 2.4 MV/m）。为了确认这些有希望的模拟结果，通过测量共线传输光谱和垂直入射时的传输幅度调制，对这两种基于超表面的自由空间调制器进行了实验表征。使用了一种波长在750-790纳米范围内的线性极化连续波激光器来探测设备，并通过50/50分束器将信号导向相机（用于成像样品）和光电二极管（用于信号检测）。光电二极管的输出信号被引导到一个锁相放大器，该放大器同时提供了施加在电极上的驱动交流频率和幅度，同时对传输信号进行解调（详细信息见(20)）。首先研究的是嵌入式配置，该配置由半径为125纳米的圆柱形柱子组成，这些柱子以500纳米的周期排列成正方形晶格。实验测量的共振在图3a（灰线）中显示，其品质（Q）因子为200，线宽为4纳米，这是通过将Fano轮廓拟合到实验数据来确定的，这与模拟共振计算的207值相符（拟合细节在SI第2节中）。选择Fano模型是因为线形的不对称性，这归因于晶格和Mie模式之间的耦合，形成了混合共振(20)。在两种配置中，图3a,b中的数据都经过处理，以抑制熔融石英基板内的Fabry–Pérot振荡，否则这些振荡会降低光谱清晰度（处理细节在SI第3节中）。在同一图表（图3a）中，EO调制（红线）作为波长的函数显示。EO调制效率的评估是通过计算相对传输幅度调制来确定的，即Δ????=????=??pp?????=0，当在给定频率下施加峰对峰幅度为Vpp的正弦电压波形时。EO效率在其最陡峭的传输共振斜率处达到最大绝对值，即dT/dλ最大时。

图3 实验和模拟结果显示了嵌入式和共形设备配置的效果。图(a)和(b)分别展示了在施加幅度为1.5 V、驱动频率为400 kHz的电场时，嵌入式和共形结构的测量传输光谱（灰线）和电光学（EO）调制（红线）。传输光谱是通过扫描激光波长并获取解调信号的直流分量（TVDC = 0）来获得的。传输数据通过未结构化区域的传输进行了归一化。EO调制定义为Δ????=????=??pp?????=0，其中Vpp是在特定频率下施加的正弦波函数的峰对峰幅度。需要注意的是，调制的符号取决于沿共振的操作点，因为场诱导的折射率变化可能会增加或减少传输。由于这个符号反映了光谱的局部斜率而不是内在的EO响应，因此在比较设备性能时报告了调制的绝对值。图中的垂直虚线标记了在SI第4节的图S4a–d中进一步检查EO响应的不同波长。图(c)和(d)分别展示了嵌入型和共形架构的有限元模拟传输光谱（灰线）和EO调制（红线）。

为了使共形配置在近红外光谱范围内具有共振，超表面由周期为450纳米、半径为100纳米的超原子组成。图3b显示了实验中的EO调制（红线）和混合共振（灰线），其Q因子约为115，线宽为6.5纳米，这与从模拟中计算出的204的值在同一数量级（拟合细节在SI第2节中）。在这种设计中，没有SiO2层的存在增加了来自BTO表面颗粒度的散射损失，导致Q因子降低。相比之下，嵌入到玻璃中通过基板和周围介质中的相位匹配的平面内衍射加强了晶格共振效应，并减轻了这些由粗糙度引起的损失(42)。尽管如此，共形设备仍然实现了0.12%的更强调制，因为消除了低介电常数的SiO2层使得BTO纳米柱内部的电场更强。实验中的EO调制值与FEM模拟结果进行了比较，模拟预测嵌入式（图3c）和共形（图3d）设计的传输调制分别为0.9%和1.8%。实验结果与模拟结果的偏差可能是由于制造相关的不完善性（例如，来自表面粗糙度、多散射和高导电性的影响）。尽管有20纳米厚的AlOx涂层，但由于溶液衍生金属氧化物的固有孔隙性（这是由于退火过程中有机副产品的蒸发、体积收缩和晶粒不完全合并所致(43)），绝缘效果仍然不足(43)。减少孔隙性的策略包括降低前体浓度，这有助于形成密集的柱状微结构(44)，以及进行多次沉积和退火循环以逐步填充空隙(43)。在我们的设备背景下，这种方法可以通过将BTO超表面印制在通过多次溶胶-凝胶沉积循环形成的密集BTO薄膜上来实现。

此外，设备的电阻降低，测量值约为10 kΩ，远低于确保足够绝缘所需的MΩ范围，这也进一步导致了实验结果与模拟结果之间的偏差。为了降低设备的导电性并增加超表面中的有效电场，必须针对BTO溶胶-凝胶的孔隙性进行改进，因为增加任一层低介电常数绝缘层（SiO2或AlOx）的厚度反而会降低BTO柱内部的场强（图2a,c）。(20) 为了提高AlOx层的介电质量，可以仔细优化沉积温度和沉积后的退火（通常在惰性或形成气体气氛中为300-400°C）(45,46)。或者，用相对介电常数更高的氧化物（如TiO2）替代SiO2可以减少绝缘层中的电场比例。然而，必须强调的是，这些结果与之前报道的EO BTO超表面调制器的值相比代表了显著的进步，嵌入式配置的EO调制提高了两倍，而共形设计的调制提高了三倍(20)。

为了进一步评估设备的性能，研究了两种设备在各自最大传输调制波长下的相对调制对电压幅度（400 kHz）(SI第4节中的图S4a,b)和频率（1.5 V）(图4a)的依赖性（所有检查波长的附加数据在SI第4节中提供）。在低电压范围内（≤1.5 V），调制与交流幅度线性相关（SI第4节中的图S4a,b），证实了Pockels效应是主要的调制机制。此外，我们的设备比相应的未图案化薄膜的调制效率高出多达600倍（数据在SI第4节中提供）。除了调制幅度响应外，我们的自由空间EO调制器还表现出超过kHz范围的频率带宽，突显了它们高速EO调制的潜力（图4a）。显然，在低频率下也发生了强烈的调制，两种设备的调制都在1 MHz附近下降了3 dB；然而，对于嵌入式配置，调制在5 MHz以下仍然稳定。这种频率限制并非源于内在的EO效应，而是由于设备堆叠的RC限制（电路特性在SI第5节中）。因此，通过提高电极的导电性或减小电容器面积可以扩展调制带宽(20,47)。另外，SI第6节提供了对多个超表面和不同设备几何形状的进一步测量，展示了观察到的EO响应的重复性。

图4 嵌入式和共形设备的实验电光学性能。(a) 在两种设备上，随着施加的交流驱动频率的变化，固定幅度为1.5 V时的相对调制（a）和电光学（EO）调制（b）。(b) 在施加绝对值为10 V（33 MV/m）的直流偏压下，共形设备在100分钟内的时间演化过程中，随着铁电畴的排列，电光学调制得到增强。这些值被归一化到极化步骤结束时的最大调制（t = 100 min, 0.16%），以强调稳定性。标记表示三个独立极化周期的平均值，而阴影区域表示最小值和最大值之间的范围。在移除偏压后，调制在大约5小时内保持稳定。

除了改进设备设计以增加有效电场外，多晶铁电体的永久极化还将允许它们的双折射永久性改变，从而提高有效的EO系数，而无需连续的直流偏压。这里展示的设备架构实现了纳米结构多晶BTO中铁电畴的对齐，从而增强了EO性能并保持了稳定性。图4b展示了在施加绝对值为10 V（33 MV/m）的直流偏压100分钟时，共形设备的归一化相对调制的演变，响应通过每20分钟瞬间关闭直流电压并记录设备的交流响应来记录，驱动频率为400 kHz，幅度为1.5 V（嵌入式结构的详细信息在SI第7节中）。调制被归一化到t = 100分钟时的最大稳定调制幅度（0.16%），以更清楚地突出这种保持行为。报告的数据包括在同一设备上进行三次独立极化周期的统计数据，其中标记表示相对调制的平均值，阴影区域表示最小值和最大值之间的范围。虽然静态电场可以驱动90°和180°畴壁的运动，但永久极化通常与180°畴的切换相关联，这需要足够长的极化持续时间来使其运动(48,49)。在施加静态电场100分钟后，观察到畴的重新配置达到了25%的调制幅度增加（初始值为0.12%）（两种设备的集体结果总结在SI第8节的表S2中）。这种增强源于BTO的双折射变化，从而提高了有效的EO系数，因此改善了相对调制。由于在100分钟后没有观察到调制幅度的进一步增加，因此移除了直流偏压，并允许畴放松。

在极化过程之后，监测了设备几个小时的时间稳定性。在这段时间内，设备保持了大约1小时的稳定调制。在那之后，大约160的时间内，调制逐渐下降到其最大值的90%，最终恢复到初始值。由于铁电畴的复杂动态，这种稳定性在这种材料中很难实现，特别是在去除偏压后，如果施加的场强不足以完全切换这些畴时，它们可能会发生反向切换。（50）在多晶铁电材料中，反向切换是由多种机制共同作用的结果，而不仅仅是一种主导机制，包括由于电荷屏蔽不完全导致的退极化场以及铁电-介电层的相互作用（51,52），还有晶界处的畴壁固定和释放（53）。因此，这些材料的保持性能表现出宽范围的松弛时间分布，这取决于局部切换条件的空间变化（54,55）。此外，在高电场下，BTO/AlOx和BTO/SiO2界面处的界面电荷捕获以及电化学过程（如氧空位的迁移和界面氧化还原反应）可能会局部改变内部场强，并影响松弛动态（56,57）。在当前结构中使用氧化物中间层可以减少ITO和BTO之间的直接化学相互作用，这表明观察到的剩余调制主要来源于部分铁电畴的排列，而非铁电机制也可能对松弛动态有所贡献。这些结果表明，对三维多晶溶胶法制备的BTO纳米结构进行极化是可行的，并且可以提高电光（EO）性能并延长其稳定性。尽管单晶外延铁电薄膜的长时间极化保持性能已得到广泛研究（31?33），但这些研究主要集中在平面几何形状上。相比之下，对纳米结构化和基于超表面的多晶材料的极化和畴稳定性的直接研究在实验上仍然具有挑战性。在这项工作中，电光调制被用作间接探测BTO多晶纳米结构中铁电畴重构的手段，从而能够评估超表面的极化稳定性。通过提高器件阻抗和电极导电性，可以实现进一步的增强，这将允许施加更高的直流电压，从而促进更强的畴排列。另外，在居里点以下，施加的场强通过畴重新定向诱导极化切换而不发生再结晶；而在居里点以上进行极化后并在偏压下冷却，则可以促进更稳定的畴配置（58?60）。此外，在单晶外延铁电薄膜中，通过引入纳米级缺陷来施加局部压缩应变以稳定切换后的极化，也可以实现长时间的极化保持（31）。对于外延BTO，极化保持性能已被证明取决于薄膜厚度，较薄的层（约10纳米）表现出更长的稳定性（61），而在晶格匹配的缓冲层上生长BTO可以提高集成调制器的电光性能（38,39）。在这种情况下，对BTO进行掺杂和使用透明的晶格匹配衬底（如MgO）或合适的缓冲层是提高电光器件稳定性的有希望的方法。

3. 结论
通过SNIL方法制造的共振纳米结构BTO超表面与普通的薄膜相比，显著增强了电光调制性能，为光学器件提供了一种可扩展且无需刻蚀的制造途径（20）。尽管它们的调制速度和电场强度优于液晶（62）和相变材料（63），但由于SiO2平面化层中的电场强度大于BTO柱中的电场强度，其调制幅度受到了一定限制。为克服这一限制，我们开发了两种改进的器件配置：一种是嵌入式设计，其中SiO2层被蚀刻到柱的高度；另一种是共形设计，其中完全省略了SiO2覆盖层。这两种配置不仅使电光调制提高了三倍（20），还实现了BTO畴的极化，使得相对调制相对于无偏压状态增加了25%，总改进幅度达到了之前报告值的75%（20）。此外，共形器件显示出长达两小时的极化稳定性，表明无需持续施加直流偏压即可实现电光性能的持续增强。多晶PZT报告的长期极化保持时间超过一年，进一步证实了多晶BTO在电光应用中的潜力（35）。最后，只需施加1.5伏的驱动电压，就可以将这些器件高效地集成到与CMOS兼容的技术中。此外，我们的BTO超表面中使用的氧化物包层（SiO2和AlOx）在各种核心材料（尤其是Si3N4）的集成光子学中得到了广泛应用，它们具有与溶胶法制备的BTO相当的折射率，支持高效的光学限制（64,65）。最近使用SNIL方法制备的单片BTO波导的演示突显了将这些材料集成到芯片光子电路中的可行性（37）。这种方法还能够在波导内部实现对铁电畴的极化，支持高效的电光调制。在这种情况下，将透明导电氧化物（如ITO）作为共形电极的整合（如已在集成接近零介电常数调制器中展示的那样）进一步支持了电驱动集成器件的可行性（66）。通过实现高Q因子共振（例如连续体中的准束缚态）可以进一步提高效率（67,68），以最大化消光比。对于多晶BTO来说，降低孔隙率不仅会提高材料的有效折射率，从而放宽当前高Q因子共振的设计限制，还会改善纳米结构的绝缘性能，使电场分布更接近模拟预测的值。在这里应用的SNIL方法提供了一个高度可适应的制造平台，适用于各种平面光学组件。最近基于溶胶法制备的金属透镜的演示（21,69）突显了这种方法的潜力，而本工作中实现的改进调制效率为开发高速、可扩展的电光超表面和基于BTO的金属透镜提供了实际途径，这些 bisher 仅限于理论研究（70?72）。

4. 实验部分
关于溶胶法制备的BTO及其通过SNIL方法印制的完整工艺，以及用于电光特性表征的光学装置设置，请参考之前的工作（20）。关于制造过程，两种器件的横截面如图1c和e所示。100纳米厚的ITO电极分别在1毫米和500微米厚的熔融石英衬底上高真空溅射而成，用于嵌入式和共形器件。随后，BTO溶胶-凝胶在1000转/分钟的转速下旋涂5秒，并使用柔软的聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具进行印花。样品在70°C下固化2小时后，取下模具，并在800°C下以2°C/分钟的升温速率退火2小时，使BTO从非晶相转变为多晶相。在嵌入式配置中（图1c），在BTO柱上添加了500纳米厚的旋涂玻璃作为覆盖层，并在400°C下热处理30分钟。之后，对BTO原子表面的多余SiO2进行大约290纳米的反应离子刻蚀（RIE），直到露出凸出的柱子，如图1d所示。RIE使用CHF3/Ar等离子体气体在20毫托的压力下进行。最后，在两种器件上都沉积了20纳米厚的AlOx层，然后通过原子层沉积工艺在选定区域沉积了100纳米厚的顶层电极，作为器件制造的最终步骤。ITO顶层电极的选择性沉积是通过光刻技术对所需区域进行图案化并采用剥离工艺实现的。
这些超表面由圆柱形的柱状单元组成，其在可见光和近红外光谱范围内具有可调谐的共振特性，这可以通过调整周期性（400–600纳米）和柱直径（100–300纳米）来实现。柱子的长度分别为约260纳米和225纳米，嵌入式和共形器件的剩余层厚度分别为45纳米和55纳米。如先前报道的（20），印花纳米结构的体积收缩导致了一个0.5的填充因子限制，需要对此进行补偿。这里实现的纵横比接近1。