1 实验室简介

微纳光学实验室是四川师范大学校级科研平台，成立于2012年，前身为固体物理研究所下属低维物理结构实验室。微纳光学实验室的研究领域涵盖前沿基础物理探索，功能薄膜材料制备与性能研究以及光电器件的仿真设计、微纳加工、表征及交叉应用等方面。目前，实验室拥有团队成员10名，在读研究生21名。

2 团队成员

团队负责人：李玲研究员，中科院物理所博士

3 研究方向

1. 基于超构表面的电磁波振幅和位相调控技术研究

2. 基于SPR、SERS、手性光谱的生物医学传感技术研究

3. 新型低损耗微纳光学材料的理论与实验研究

4. 基于二维半导体材料的微纳结构加工及其应用研究

5.  SP光刻制备技术及光电子器件

6. 非制冷型硅基红外光电探测器

7. 基于半导体材料的表面等离子体光子学

8. 宽禁带半导体 (Ga2O3、AlN) 的改性及光电应用研究

3.1 微纳光电子器件设计

1. 基于CST、FDTD的电磁仿真计算

图1 利用CST实现自旋选择性吸收超构表面单元结构设计

熟练掌握利用CST、FDTD等电磁仿真软件对微纳光学器件电磁仿真的全流程，针对特定应用需求，能够实现对微纳光电子器件的理论设计，并对实验制备提供理论指导。

2. 基于矢量光场理论的远场分析

图2 利用矢量光场理论计算超构表面远场特性

利用Matlab矩阵实验室自主编写相关代码及程序，利用傅里叶变换光学原理与矢量光场理论实现对特定光场的远场散射特性分析。

3. 基于SRIM(TRIM)的离子束改性功能材料与器件仿真

图3 利用SRIM模拟不同能量、类型的离子在多种材料与器件中的注入

熟练掌握利用SRIM(TRIM)、SIMNRA等离子束分析仿真软件对微纳光电子材料与器件掺杂改性的模拟，能够针对特定应用需求实现对微纳光电子材料与器件的掺杂改性设计，并对实验制备提供理论指导。

4. 基于COMSOL Multiphysics的器件性能仿真

图4 利用COMSOL Multiphysics仿真半导体器件中势垒与载流子浓度的关系

利用COMSOL Multiphysics软件模拟多种掺杂元素、不同掺杂浓度、不同电极结构设计对掺杂半导体器件中的接触势垒等光电特性的影响，优化器件的设计实现器件性能最优。

3.2 薄膜材料生长技术

1. 物理气相沉积技术

图5 利用物理气相沉积制备各类薄膜材料

采用磁控溅射沉积技术、电子束和电阻蒸发沉积技术，生长Au、Ag、Al、Cu、Cr、Ge、Ni、W等金属（包括合金）薄膜，Si、SiO2、ZnO、SiC、SiN等介质薄膜，以及金属/介质多层膜。基于金属、介质薄膜生长技术，在薄膜与器件的制备、薄膜生长机制、微纳结构与光电特性等方面开展工作。

2.  化学气相沉积技术

图6 利用化学气相沉积制备单层二维半导体薄膜材料

利用自搭建三温区多源化学气相沉积（CVD）系统，可实现二硫化钼、二硒化钼、二硫化钨、二硒化钨等二维半导体薄膜材料的大面积外延生长。所生长的二维半导体薄膜尺寸可控，表面干净，晶向确定。基于这种薄膜外延生长技术，在二维半导体薄膜生长机制、异质结构筑、电子学器件制备与加工、光电性能研究等方面开展工作。

3.3 微纳结构加工工艺

1. 纳米微球自组装技术

利用聚苯乙烯微球，在不同表面组装，形成密排结构，辅以镀膜和刻蚀工艺，可制作多层复杂结构，用于结构色、生物芯片等。

a. 表面增强拉曼基底

图7 二元PS微球阵列的MIM型SERS基底SEM俯视图

基于二元PS微球自组装技术结合金属材料沉积可制备得到表面增强拉曼基底，该基底可实现1.13×108增强因子、超低的检测极限(10-14M，R6G)和优异的均匀性(RSD均小于12.9%)，且制备效率高、成本低且面积较大（＞1cm2）。

b. 光吸收器

图8 (a) 六方排列直径为430nm的PS微球阵列，(b) 银纳米三角形阵列SEM

基于微球刻印技术制备得到的三角形纳米阵列的MIM型结构，可实现近红外波段的高性能吸收。

c. 手性材料

图9 三维纳米球壳结构SEM

基于PS微球自组装结合多次角度沉积，可制备得到多种三维纳米球壳结构，可用于手性材料的制备。

2. SP光刻技术

课题组利用sp成像光刻技术，在紫外光源和单次曝光条件下，获得了突破衍射极限的光学光刻分辨力。结合离子束刻蚀（IBE）、反应离子束刻蚀（RIE）和电感耦合等离子体刻蚀（ICP）等刻蚀工艺，可以加工百纳米级的光电器件；熟悉剥离工艺，可以实现图形结构反转，得到不同结构的超表面。

a. 偏振复用全息显示超表面

图10 利用SP光刻制备的偏振复用全息显示超表面

在硅片上制备光刻胶（100nm）/二氧化硅/银/光刻胶/银多层膜结构，形成金属-介质-金属形式的sp共振腔成像结构，进行紫外光源（356nm）单次曝光，显影后图形结构出现在光刻胶上，经过IBE和RIE刻蚀，将图形结构传递到较厚的光刻胶上，再沉积10nm铬薄膜用于图形反转的剥离，后进行ICP刻蚀，最终得到800nm高的硅柱，深宽比为1：6，尺寸范围：150nm-700nm，周期：800nm。

b. 拉曼增强基底

图11 利用SP光刻制备的拉曼增强基底

在硅片上制备银/二氧化硅/光刻胶（100nm）/二氧化硅/银/光刻胶/银多层膜结构，形成金属-介质-金属形式的sp共振腔成像结构，进行紫外光源（356nm）单次曝光，显影后图形结构出现在光刻胶上，经过IBE和RIE刻蚀，将图形结构传递到较厚的光刻胶上，再沉积40nm银薄膜用于图形反转，后进行光刻胶剥离，最终得到直径为200nm银圆盘阵列，周期：780nm。

c. 基于柔性基底的微纳器件

图12 硅基底上的光栅器件

在硅片上制备铝/光刻胶（100nm）/二氧化硅/银/光刻胶/银多层膜结构，形成金属-介质-金属形式的sp共振腔成像结构，进行紫外光源（356nm）单次曝光，显影后图形结构出现在光刻胶上，经过IBE和RIE刻蚀，将图形结构传递到较厚的光刻胶上，再沉积40nm铝薄膜用于图形反转，后进行光刻胶剥离，最终得到线宽为170nm铝光栅，周期：500nm。

3. 纳米压印光刻技术

图13 利用纳米压印技术制备周期为450 nm 尺寸参数可调的二维孔洞结构。

利用纳米压印光刻技术，在金属或介质基底上制备一维或二维微纳结构，辅以镀膜、刻蚀等工艺技术手段，可制作金属、介质或金属/介质异质节等复杂微纳结构。制备的微纳结构可用于结构色显示、超灵敏传感以及光伏器件等。

4. 激光干涉光刻技术

图14 利用激光干涉技术制备周期可调的一维金光栅结构

利用激光干涉光刻技术，在金属或介质基底上制备一维或二维微纳结构，辅以镀膜、刻蚀等工艺技术手段，可制作金属、介质微纳结构。将制备的微纳结构用于超表面和超灵敏传感等应用领域。

5. 离子束技术对微纳结构改性

图15 基于离子束技术的超掺杂材料与器件及其在微纳光电子学中的应用

利用离子束技术在半导体材料与器件中构建可调控、CMOS兼容、易于集成等优点的探测器和表面增强传感器平台(Si-based LSPR)，实现了硅基室温短波红外(SWIR)光电探测，解决了传统浅能级N型掺杂带来的载流子浓度饱和难题（N > 5× 1020 cm-3），探索超掺半导体材料与器件在微纳光电子器件中的应用。

3.4 微纳光电子器件表征手段

1. 形貌表征手段

图16 (a) 原子力显微镜。(b) 透射电子显微镜。(c) 扫描隧道显微镜。

熟练掌握常用的微纳结构表征方法，如：台阶仪、原子力显微镜、透射电子显微镜、扫描隧道显微镜等，可以快速分析微纳结构高度，实现微米到纳米级别的空间分辨，直接观察表面形貌、颗粒尺寸、材料结构参数、晶格畸变、微纳结构特征长度等结构信息。

2. 性能表征手段

图17 （a）红外傅里叶光谱测试。（b）基于探针台的电学测试（c）拉曼信号测试。

熟练掌握常用的微纳结构性能表征方法，如：红外傅里叶光谱测试仪、基于探针平台的电学与催化测试、拉曼信号测试等，可以分析微纳结构的光谱特性、电化学特性、进行元素成份识别等特征性能。

4 仪器设备

5 代表性研究成果

1. Zhu J, Wang Z C, Dai H, et al. Boundary activated hydrogen evolution reaction on monolayer MoS2[J]. Nature Communications, 2019, 10(1): 1-7.（中科院一区， IF：14.919）

2. Zhu J, Wang Z, Yu H, et al. Argon plasma induced phase transition in monolayer MoS2[J]. Journal of the American Chemical Society, 2017, 139(30): 10216-10219. （中科院一区， IF：15.419）

3. Huang Y, Luo J, Pu M, et al. Catenary electromagnetics for ultra‐broadband lightweight absorbers and large‐scale flat antennas[J]. Advanced Science, 2019, 6(7): 1801691. （中科院一区， IF：16.806）

4. Tian M, Wang J, Liu X, et al. Creation of the Dirac Nodal Line by Extrinsic Symmetry Engineering[J]. Nano Letters, 2020, 20(3): 2157-2162. （中科院一区， IF：11.189）

5. Huang Y, Xiao T, Xie Z, et al. Single‐Layered Reflective Metasurface Achieving Simultaneous Spin‐Selective Perfect Absorption and Efficient Wavefront Manipulation[J]. Advanced Optical Materials, 2021, 9(5): 2001663. （中科院一区， IF：9.926）

6. Huang Y, Xiao T, Xie Z, et al. Multistate Nonvolatile Metamirrors with Tunable Optical Chirality[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13(38): 45890-45897. （中科院一区， IF：9.229）

7. Zheng J, Yang W, Wang J, et al. An ultranarrow SPR linewidth in the UV region for plasmonic sensing[J]. Nanoscale, 2019, 11(9): 4061-4066. （中科院一区， IF：7.790）

8. Mao Wang*, et al., Silicon-Based Intermediate-Band Infrared Photodetector Realized by Te Hyperdoping, Advanced Optical Materials, 2001546 (2020). （中科院一区， IF：9.926）

9. Mao Wang*, et al., Critical behavior of the insulator-to-metal transition in Te-hyperdoped Si, Physical Review B 102, 085204 (2020). （中科院二区top， IF：3.908）

10.Mao Wang*, et al., Extended Infrared Photoresponse in Te-Hyperdoped Si at Room Temperature, Physical Review Applied 10, 024054 (2018). （中科院一区， IF：4.931）

11.Yarong Su*，Ling Li*，et al., Highly sensitive and reproducible SERS substrates with binary colloidal crystals (bCCs) based on MIM structures, Applied Surface Science 597 (2022) 153654.（中科院一区，IF：7.392）

12.J. Zheng, J.F. Zhu, Z.L. Yang, Extremely narrow resonant linewidths in metal-dielectric heterostructures, Photon. Res. 10(7): (2022) 1754-1762.（中科院一区， IF：7.254）

13.J. Zheng, W. M. Yang, J. Y. Wang, J. F. Zhu,  L. H. Qian and Z. L. Yang. An ultranarrow SPR linewidth in the UV region for plasmonic sensing. Nanoscale, 2019,11, 4061-4066. （中科院一区，IF：8.307）

6 近三年承担科研项目

1. 多层超表面的异常色散及其在多功能相位调控器件中的应用研究，国家自然科学青年基金，2021.1-2024.12, 负责人：黄奕嘉

2. 二维半导体的卷曲结构阵列制备与物性研究，国家自然科学青年基金，2021.1-2024.12, 负责人：祝建琦

3. 基于金属-介质异质结构的SPR线型调控与应用研究，国家自然科学青年基金，2021.1-2024.12, 负责人：郑杰

4. MIR Breitband-Photodetektor bei Raumtemperatur auf der Basis von Si:Te für die Integration auf Wafer-Ebene，2020.11-2023.10，负责人：王茂

5. 基于离子束技术的硅基室温红外光电探测器及其光电特性研究，国家自然科学青年基金，2023.1-2025.12，负责人：王茂

7 实验室联系方式：

邮箱：lingli70@aliyun.com

           759082470@qq.com

【编辑：物电学院】