无需蚀刻的简便原子层涂覆抗蚀剂模板，用于快速原型制作高效可见光超表面

日常光学的平面透镜

从智能手机到虚拟现实头显，现代设备都配备了依赖微型透镜和反射镜来引导光线的相机与显示系统。在不牺牲性能的前提下缩小这些光学元件是一项巨大挑战。本文提出了一种更简单、更快速的制造“超表面”的方法：超薄层覆盖微小结构，可以高效弯折和塑造可见光。这项工作有望为未来的屏幕、传感器和成像系统带来更便宜、更紧凑的光学方案。

从厚重光学到超薄图案

传统的高性能可见光平面光学通常由厚层特殊透明材料构成。工程师们先沉积一层高折射率材料（如二氧化钛）的厚膜，然后用抗蚀剂刻画图案，添加硬掩膜，最后通过高能等离子体蚀刻刻出所需形状。每一步都需要昂贵的设备、真空系统和精确对准。虽然这种方法能实现出色的性能，但过程缓慢、成本高，而且不适合对新设计进行快速试验，也难以在柔性塑料等非常规基底上使用。

把绘图墨水变成器件本身

作者通过将用于刻画图形的抗蚀剂——通常只是“绘图的墨水”——直接变为工作的光学材料，简化了整个流程。他们在玻璃晶片上旋涂常见的电子束抗蚀剂，并在一次曝光中直接写出构成超表面的纳米柱。显影后，这些细长的聚合物柱立于表面，无需任何蚀刻或剥离工序。要实现这一点，需要精细调整抗蚀剂的曝光与显影参数，以及一种巧妙的干燥方法：从晶片背面吹气并采用梯度冲洗，从而减小会将微小柱体像湿草叶一样推倒的毛细力。

用薄壳强化光线控制

单独的抗蚀剂对可见光的波导作用较弱，因为其折射率有限。为了解决这个问题，团队用原子层沉积在每个聚合物柱外包覆一层超薄的二氧化钛壳层，这种按原子逐层沉积的技术可以均匀覆盖复杂形状。仅28纳米的高折射率材料就能显著增强光的束缚与偏转。通过计算机模拟，他们确定了能将横向偏振透射（即他们设计中有用的输出通道）在绿光附近推高到90％以上的柱径与壳厚，同时在更宽的可见光谱范围内表现良好。

用旋转柱写出全息图

为了展示这些混合柱的能力，研究人员采用几何相位的概念设计全息图。他们不是改变每根柱子的尺寸，而是在表面上旋转相同的柱子。当圆偏振光照射这些旋转单元时，旋转角直接对应于施加在出射光上的相位延迟。他们使用迭代算法将期望图像转换为相位图，然后转换为柱子的方向图案。在蓝、绿、红激光波长下的实验显示，未涂覆二氧化钛的抗蚀剂结构产生的全息图暗且对比度低。添加二氧化钛壳层后，全息图显著更亮、更清晰，测得效率提高约四倍，在绿光处超过70％。

走向未来平面光学的简单步骤

通俗地说，这项工作将复杂的多步刻蚀工艺转变为更接近绘图与喷涂的流程，同时仍能提供顶级的光学表现。通过既把抗蚀剂用作图案又作为材料，然后用一层高折射率薄壳增强，它们制造出高效、宽带的超表面而无需苛刻的蚀刻步骤。该方法兼容不同抗蚀剂与基底，并可通过缩放结构与选择合适涂层来适应其他颜色的光。这种精简的路径有望推动平面光学元件从实验室奇观走向下一代显示器、可穿戴设备和紧凑成像系统的广泛应用。

引用: Seong, J., Jeon, Y., Lee, S. et al. Facile, etch-free atomic layer-coated resist templates for rapid prototyping of efficient visible metasurfaces. Microsyst Nanoeng 12, 127 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01238-9

关键词: 超表面, 平面光学, 全息术, 纳米制造, 二氧化钛涂层