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摘要：利用钛酸钡（BaTiO₃，简称BTO）中强普克尔斯效应的电可调超表面，是可重构自由空间光学器件的一个有前景的平台。然而，外延生长BTO薄膜成本高、可扩展性有限、衬底兼容性受限，阻碍了其应用。在此，我们展示了基于压印BTO超表面的自由空间光调制器，其设计旨在将光场和电场有效约束在活性材料内部。通过实现高达200的高品质因子共振，我们展示了在亚伏特驱动幅度和最高5 MHz频率下增强的透射调制效果。通过铁电畴取向调控，调制强度获得进一步提升：与未极化情况相比提高达25%，与先前研究相比提高达75%。这种增强的电光响应源自多晶超表面中的有效介电常数调控和畴取向工程，为可扩展、高效的电光调制器和有源超表面带来了巨大潜力。

关键词：电光调制，钛酸钡，纳米压印，超表面，极化，可调谐

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1. 引言

铁电材料因其广泛的应用前景而备受关注，包括非易失性存储器、铁电光伏器件以及声光或电光器件。在高速数据传输至关重要的电信领域，需要具有大电光系数且调制带宽超过千赫兹范围的非中心对称材料。虽然铌酸锂广泛应用于集成和自由空间器件，可实现超过吉赫兹的调制速度，但钛酸钡因其块体材料中惊人的电光系数（r42 = 1300 pm/V，非夹持情况）而受到关注。然而，块体BTO的可集成性和可扩展性有限，这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、脉冲激光沉积和剥离等技术来制备BTO薄膜。尽管硅基外延BTO已实现高速电光调制，其电光系数达到r42 = 923 pm/V，但外延生长层仍然能效低且受衬底兼容性限制。

相反，溶胶-凝胶法等湿化学技术提供了一种通用且可扩展的途径，且与软纳米压印光刻技术兼容。这种无需刻蚀的自下而上工艺能够在多种衬底上压印纳米结构，并已用于制备线性和非线性超表面。此外，这些材料的多晶性为设计和光学表征其有效的偏振无关电光性能提供了更简单的平台。然而，BTO的随机取向晶粒导致其有效电光系数较低（约27 pm/V），但仍与单晶铌酸锂相当。

通过永久取向铁电畴（即极化工艺），可以进一步提高多晶材料的电光响应。在室温下，BTO保持四方相，由于每个晶胞中Ti离子沿该轴位移，因此沿c轴（面外方向）表现出自发极化。然而，在单晶内部存在多个铁电畴，可能具有a轴（面内）或c轴取向。在BTO的四方相中，极化反转通过形成相反的180°畴或正交的90°畴发生。单晶BTO的高电光系数促使人们研究该钙钛矿氧化物中的畴效应，近期在畴取向排列和晶体周期极化方面取得了进展。此外，对超薄BTO薄膜中铁电开关的研究表明，外延和多晶BTO薄膜都能实现接近块体材料的矫顽场和剩余极化值。这些进展对电光调制器具有重要意义，尤其是基于多晶BTO薄膜和三维结构的调制器，因为稳定的剩余极化可以引入内置双折射，从而在不需持续偏压的情况下增强电光响应。

在此背景下，极化稳定性已成为一个重要品质因数。虽然BiFeO3和PbTiO3等单晶和外延铁电体的保持期超过一年，但多晶薄膜中的保持性主要受晶界、局部电场不均匀性以及晶粒尺寸相关的畴稳定性控制。这些因素与单晶中由畴壁缺陷驱动的极化弛豫形成对比。溶液法制备的BTO可以调控这些因素，例如调整最终退火温度可用于优化晶粒尺寸以延长极化保持时间。尽管多晶性带来了复杂的畴动力学行为，但BTO因其相对较高的有效电光系数，在器件集成方面仍具有竞争力。为了进一步增强这种普克尔斯响应，针对单晶和溶液加工多晶BTO薄膜的几项研究已经在晶格匹配缓冲层上开发了集成电光调制器。这种生长方式提供了方向性并最小化了生长BTO薄膜中的应力，使得此类平台在电光器件的未来极化应用中前景广阔。

沿着开发基于多晶BTO调制器的同一方向，先前的一项研究报告了电光超表面的良好性能，展示了大规模高速自由空间器件的潜力。该超表面由嵌入SiO2间隔层中的BTO柱组成。在此案例中，使用了玻璃衬底，并夹有顶底透明氧化铟锡电极，从而能够表征器件的透射调制。通过在400 kHz驱动频率下施加1.5 V的交流电压，测得的幅度调制达到0.04%。然而，电场在低介电常数的SiO2覆盖层中比在发生普克尔斯效应的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部电场和光场的重叠。

受多晶BTO器件在纳米光子器件中展现潜力的驱动，在本研究中，我们专注于调控基于溶液加工、通过SNIL制备的多晶BTO超表面的透明自由空间电光调制器的有效介电常数。通过设计能在活性材料内部支持高电场并在低驱动电压（≤1.5 V）下工作的三明治型器件结构，我们实现了纳米结构BTO内的铁电畴取向排列，从而增强了透射调制。此外，我们展示了电光调制为极化过程及其时间稳定性提供了一种间接且便捷的探测手段。这些结果为迈向可扩展且与互补金属氧化物半导体兼容的、具有增强电光性能的多晶铁电纳米光子器件开辟了一条有前景的方向。

2. 结果与讨论

本文研究的透明自由空间电光调制器采用三明治型电极配置（图1a），其中包含由溶液加工的多晶BTO纳米柱阵列构成的共振超表面（图1b）。这些纳米结构是通过无刻蚀的软纳米压印光刻工艺，使用反聚二甲基硅氧烷模具在熔融石英衬底上制备的，选择该衬底是为了确保最小的传输损耗。压印后的结构随后在800°C下退火2小时（制备和几何细节见实验部分）。更具体地说，我们研究了两种不同的器件架构，旨在增加BTO柱内部的电场。当沉积的绝缘平坦化SiO2层厚度大于超表面柱高时，低介电常数的SiO2薄膜会分压大部分外加电压，从而减弱高介电常数BTO中的电场。为了缓解这一问题，一种方法是减少SiO2平坦化层使其与柱高相匹配（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去除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。在两种方案中，都在BTO纳米结构与顶电极之间包含了一层20 nm厚的AlOx绝缘层，以确保施加电场时的电隔离。值得注意的是，两种方案都保持了1.5 V的低工作电压以及50 × 50 μm²的小占地面积，这使得它们与CMOS驱动电路兼容。

图1. 钛酸钡（BTO）超表面的结构配置。(a) 用于演示在夹层ITO电极上施加交流电压时透射信号电光调制的器件示意图。BTO柱埋入SiO2层中，并在覆盖SiO2层顶部沉积共形绝缘AlOx薄膜。(b) 扫描电子显微图（倾斜30°），展示压印超表面的顶视图，该超表面由周期p = 500 nm、直径d = 200 nm的BTO柱阵列组成。(c) 嵌入式配置示意图，其中SiO2被刻蚀至与柱高度平齐。(d) 嵌入式器件的截面扫描电镜图。(e) 共形配置的截面示意图，其中AlOx和ITO共形沉积在纳米结构之上。(f) 共形器件的截面扫描电镜图。所有截面扫描电镜图像均采用聚焦离子束制备。图(d)和(f)中显示的器件是在硅衬底上制备的克隆器件，超表面下方没有接地ITO电极，以获得更好的成像质量。

为了验证器件架构对电光性能的影响，对两种器件进行了有限元方法模拟。调整超原子的半径和周期，将其共振定位在750-790 nm范围内，该范围与用于透射调制测量的可调谐激光器相对应。由于器件堆叠结构的差异，每种配置都需要单独优化（模拟细节，包括相对介电常数值，见补充信息第1节）。嵌入式器件和共形器件分别在最佳波长783.6 nm和768.6 nm处的电场和光场分布如图2a-d所示。对两种器件均在顶电极上施加1.5 V的正电位，以研究电场分布并估算BTO中的折射率变化。然而，需要注意的是，根据考虑材料相对介电常数的有限元模拟结果（详情见补充信息第1节），在外加1.5 V电压下，两种器件中实际落在活性材料上的电压约为0.6 V，而大部分电压降落在AlOx和SiO2层上（图2a、c）。这表明，尽管共形器件在BTO柱内表现出更高的电场，但嵌入式配置中更大的柱高补偿了这一差异，导致BTO上的电压降相当。此外，这些模拟将BTO残留薄膜和纳米柱视为均匀介质。更真实的表征（包括随机取向的畴、较低介电常数的晶界以及气孔夹杂物，如图1d、f的截面图所示）很难纳入模型。因此，活性BTO材料中的估算电场应视为此类器件的上限，铁电材料中的有效电场可能更低。总之，最小化这些绝缘层的比例对于增加超表面中的外加电场至关重要。

图2. 两种电光器件配置的电场和光场模拟。图(a)和(b)分别展示了嵌入式结构在783.6 nm波长下的电场和光场的有限元模拟。图(c)和(d)分别展示了共形结构在768.6 nm波长下的电场和光场分布。图(a)和(c)中用白色线条叠加了电场线。两种器件配置的电场（a、c）和光场（b、d）的色标显示在右侧。对于电场，色标在5 MV/m处饱和，AlOx和SiO2中的最大电场强度为120 MV/m（以绿色显示）。图(d)右下角显示的比例尺和坐标轴是全局的，适用于所有模拟。

最佳的电光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。电场和光感生场的组合显示出模式重叠积分：嵌入式器件为27%，共形配置为37%。此外，考虑到Δn与外电场E成正比，关系式为：Δn = (1/2) × n³ × reff × E，其中reff是有效电光系数，n是材料的有效折射率，BTO柱中强电场强度表明Δn有相应的增加。对于嵌入式纳米结构，模拟（图2a）预测BTO柱中的电场强度相比之前的器件增强了10倍，而对于共形结构，模拟显示增强了13倍（图2c）。因此，模拟的增强电场预计将带来Δn的相应增加，从而提高器件的调制效率。考虑到我们的多晶BTO在750-790 nm波长范围内的平均折射率为1.91（通过之前研究中的椭偏测量确定），以及有效电光系数为27 pm/V，计算得出BTO柱中心的预期折射率偏移约为：嵌入式配置（E_embed, BTO = 1.9 MV/m）的Δn_embed = 1.8 × 10⁻⁴，共形结构（E_conf, BTO = 2.4 MV/m）的Δn_conf = 2.3 × 10⁻⁴。

为了证实 promising 的模拟结果，通过测量共线透射光谱和法向入射下的透射幅度调制，对这两种基于超表面的自由空间调制器进行了实验表征。使用波长在750-790 nm范围内可调的线偏振连续波激光器来探测器件，信号通过50倍物镜收集，并通过50/50分束器分别导向相机（用于样品成像）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至锁相放大器，该放大器同时为施加在电极上的电场提供驱动交流频率和幅度，并对透射信号进行解调（详见参考文献20）。

从嵌入式配置开始，研究了一种由半径为125 nm、按500 nm周期排列成正方形的圆柱形纳米柱阵列组成的超表面。通过将法诺线型拟合到实验数据（拟合细节见补充信息第2节），实验测得的共振峰（图3a灰线）显示出200的品质因子和4 nm的线宽，这与模拟共振计算得出的207值非常吻合。选择法诺模型是由于其不对称的线形，这归因于晶格模式和米氏模式之间的耦合形成了杂化共振。在两种配置中，图3a、b中展示的数据都经过处理以抑制熔融石英基底内的法布里-珀罗振荡，否则这些振荡会降低光谱的清晰度（处理细节见补充信息第3节）。在同一图中（图3a），电光调制（红线）作为波长的函数被展示出来。电光调制效率的评估通过计算相对透射幅度调制来确定，即在给定频率下施加峰峰值幅度为Vpp的正弦电压波形时，定义为

电光效率在透射共振斜率最陡峭处（即 dT/dλ 最大时）达到其最大绝对值0.08%。

图3. 嵌入式与共形器件配置的实验和模拟结果。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，嵌入式结构和共形结构的实测透射光谱（灰色）和电光调制（红色）。透射光谱通过扫描激光波长并获取解调信号的直流分量 (TVDC = 0) 获得。透射数据通过无结构区域的透射率进行归一化。电光调制定义为比值

其中 Vpp 是在特定频率下施加的正弦波函数的峰峰值幅度。需要注意的是，调制的符号取决于沿共振的工作点，因为场致折射率变化既可以增加也可以减少透射率。由于此符号反映的是光谱的局部斜率而非本征电光响应，因此在比较器件性能时报告的是调制的绝对值。图中的垂直虚线标记了在补充信息第4节图S4a-d中进一步检查电光响应的不同波长位置。图(c)和(d)分别展示了嵌入式架构和共形架构的有限元模拟透射光谱（灰色）和电光调制（红色）。

对于共形配置，为了使其在近红外光谱范围内产生共振，超表面由周期为450 nm、半径为100 nm的超原子组成。图3b展示了实验测得的电光调制（红线）和杂化共振（灰线），其品质因子约为115，线宽为6.5 nm，与根据模拟计算出的204值处于同一数量级（拟合细节见补充信息第2节）。在此设计中，由于没有SiO2层，BTO表面颗粒度引起的散射损耗增加，导致品质因子降低。相比之下，将结构嵌入玻璃中，通过基底和周围介质中的相位匹配面内衍射增强了晶格共振效应，并减轻了这些由粗糙度引起的损耗。尽管如此，共形器件仍然实现了更强的0.12%调制，因为去除了低介电常数的SiO2层使得BTO纳米柱内部能够获得更高的电场。

将实验测得的电光调制值与有限元模拟结果进行比较，模拟预测嵌入式设计（图3c）和共形设计（图3d）的透射调制分别为0.9%和1.8%。与实验结果的偏差可能源于与制备相关的不完美因素（例如，表面粗糙度、多孔性和高电导率引起的多重散射）。尽管有20 nm厚的AlOx涂层，但由于溶液衍生金属氧化物固有的多孔性（这是退火过程中有机副产物蒸发、体积收缩和晶粒不完全合并的结果），绝缘性仍然不足。降低孔隙率的策略包括：降低前驱体浓度以促进致密的柱状微观结构，以及进行多次沉积和退火循环以逐步填充空隙。就我们的器件而言，可以通过在通过多次溶胶-凝胶沉积循环形成的致密BTO薄膜顶部压印BTO超表面来实现这种方法。

此外，测得的器件电阻降低（大约在10 kΩ量级），远低于确保足够绝缘所需的预期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。为了降低器件的电导率并增加超表面中的有效电场，必须针对BTO溶胶-凝胶的多孔性进行改进，因为增加低介电常数绝缘层（SiO2或AlOx）的厚度反而会降低BTO柱内的电场强度。为了改善AlOx层的介电质量，可以仔细优化沉积温度和沉积后退火（通常在惰性气体或合成气体氛围下进行300-400°C）。或者，用更高相对介电常数的氧化物（如TiO2）替代SiO2，可以减小绝缘体中的电场比例。然而，必须强调的是，与先前报道的BTO电光超表面调制器数值相比，这些结果代表了显著的进步：嵌入式配置实现了两倍的电光调制，而共形设计则实现了三倍。

为了进一步评估器件的性能，在对应于最大透射调制的波长处，检查了两种器件的相对调制对电压幅度（在400 kHz下）（补充信息第4节图S4a、b）和频率（在1.5 V下）（图4a）的依赖性。在两种情况下，在低电压范围（≤1.5 V）内，调制与交流幅度成线性关系（补充信息第4节图S4a、b），证实了普克尔斯效应是主要的调制机制。此外，我们的器件产生的调制效率比其等效的无图案薄膜高出600倍（数据见补充信息第4节）。作为调制幅度响应的补充，我们的自由空间电光调制器表现出超过千赫兹范围的频率带宽，突显了它们在高速电光调制方面的潜力（图4a）。很明显，在低频下发生了强调制，两种器件的3 dB下降点都在1 MHz附近；然而，对于嵌入式配置，其稳定性可持续到5 MHz。这种频率限制并非源于内在的电光效应，而是来自器件堆叠的RC限制（补充信息第5节中的电路表征）。因此，提高电极的电导率或减小电容器面积可以延长调制带宽。此外，补充信息第6节提供了对多个超表面和不同器件几何形状的进一步测量，显示了所观察到的电光响应的可重复性。

图4. 嵌入式器件与共形器件的实验电光性能。(a) 在1.5 V固定幅度下，两种器件的相对调制随外加交流驱动频率的变化关系，测量时分别工作在各自的最佳工作波长。(b) 共形器件在施加绝对值为10 V（33 MV/m）的直流偏压持续100分钟过程中，归一化相对调制的时间演化。在此期间，铁电畴取向排列增强了电光调制。为突出稳定性，各数值已归一化至极化步骤结束时的最大调制值（t = 100分钟，0.16%）。标记点表示三个独立极化周期的平均值，阴影区域表示最小值和最大值之间的分布范围。移除偏压后，调制保持稳定一小时，随后在近5小时的时间内逐渐弛豫。

除了改进器件设计以增加有效电场外，多晶铁电体中的永久极化可以持久地改变其双折射，从而在不需要连续直流偏置的情况下提高有效电光系数。本文展示的器件架构能够实现纳米结构多晶BCO中铁电畴的取向排列，从而增强电光性能并实现持续稳定性。图4b展示了当对共形器件施加绝对值为10 V（33 MV/m）的直流偏压持续100分钟时，归一化相对调制的演变过程，通过瞬时关闭直流电压并在400 kHz驱动频率和1.5 V幅度下记录器件的交流响应，以20分钟为间隔进行记录（嵌入式结构的细节见补充信息第7节）。调制被归一化到t = 100分钟时的值（对应最大稳定调制幅度0.16%），以更清楚地突出保持行为。报告的数据包括了同一器件上三个独立极化循环的统计数据，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°畴的翻转相关，这需要足够长的极化时间才能使它们运动。观察到施加静电场100分钟后，畴的重构达到饱和，调制幅度增加了25%（初始值为0.12%）（两种器件的总体结果总结在补充信息第8节的表S2中）。这种增强源于BTO双折射的变化，导致更高的有效电光系数，从而提高了相对调制。由于在100分钟后没有观察到调制幅度的进一步增加，因此去除了直流偏压，让畴发生弛豫。

极化过程之后，对器件的时间稳定性进行了数小时的监测。在此期间，器件保持稳定的调制约1小时。之后，在大约160分钟的时间内，调制逐渐下降到其最大值的90%，并最终恢复到其初始值。由于铁电畴的复杂动力学行为，这种稳定性在该材料中很难实现。因为在移除偏压后，畴可能会发生反向翻转，特别是在外加电场不足以使其完全翻转的情况下。在多晶铁电体中，反向翻转源于多种机制的组合，而不是单一的 dominant 机制，包括由于不完全电荷屏蔽和铁电/介电堆叠引起的去极化场，以及晶界处的畴壁钉扎和去钉扎。因此，这些材料中的保持性表现出宽泛的弛豫时间分布，这取决于局部翻转条件的空间变化。此外，二次效应，如高电场下BTO/AlOx和BTO/SiO2界面处的界面电荷俘获，以及电化学过程（如氧空位迁移和界面氧化还原反应），可能会局部改变内部电场并影响弛豫动力学。在本结构中使用氧化物中间层预计会减轻ITO和BTO之间的直接化学相互作用，表明观察到的剩余调制主要源于部分铁电畴取向排列，而非铁电机制可能对弛豫动力学有贡献。这些结果表明，对三维多晶溶液衍生的BTO纳米结构进行极化是可行的，并能带来具有持久稳定性的增强电光性能。

虽然长极化保持时间已在单晶外延铁电薄膜中得到广泛研究，但这些研究主要集中在平面几何结构上。相比之下，直接研究纳米结构和基于超表面的多晶材料中的极化和畴稳定性在实验上仍然具有挑战性。在这项工作中，电光调制被用作探测BTO多晶纳米结构中铁电畴重构的间接探针，从而能够评估超表面中的极化稳定性。通过提高器件电阻和电极电导率，可以实现进一步的增强，这将允许施加更高的直流电压，从而促进更强的畴取向排列。此外，虽然在低于居里点的温度下，外加电场通过畴重新取向诱导极化翻转而不发生再结晶，但在高于居里点的温度下进行极化，然后在偏压下冷却，可以促进更稳定的畴构型。此外，在单晶外延铁电薄膜中，通过畴壁钉扎策略（例如引入纳米级缺陷，在整个薄膜中施加局部压应变，以稳定翻转后的极化）已经实现了长极化保持时间。对于外延BTO，研究表明保持时间取决于薄膜厚度，更薄的层（≈10 nm）表现出更长的稳定性，而在晶格匹配的缓冲层上生长BTO已被证明可以提高集成调制器的电光性能。在此背景下，BTO掺杂以及使用透明的晶格匹配衬底（如MgO）或合适的缓冲层代表了提高电光器件稳定性的有前景的途径。

3. 结论

通过软纳米压印光刻方法制备的共振纳米结构BTO超表面已被证明与普通薄膜相比能显著增强电光调制，为光学器件提供了一条可扩展且无需刻蚀的制备途径。尽管其调制速度和电场强度优于液晶和相变材料，但由于SiO2平坦化层中的电场比BTO柱中的电场更强，其调制幅度受到一定限制。

在这项工作中，为了克服这一限制，我们开发了两种改进的器件配置：嵌入式设计（将SiO2层回刻至与柱高平齐）和共形设计（完全省略SiO2覆盖层）。这两种配置不仅使电光调制比先前工作提高了三倍，而且能够实现BTO畴的极化，与未加偏压状态相比，相对调制最大增加了25%，与先前报道的值相比总体改善了75%。此外，共形器件表现出长达两小时的极化稳定性，表明无需持续直流偏置即可实现持久的电光增强。在多晶PZT中报道的超过一年的长期保持性进一步增强了多晶BTO在电光应用中的潜力。最后，通过仅施加1.5 V的驱动电压，我们实现了这些器件与CMOS兼容技术的高能效集成。

此外，我们的BTO超表面中使用的氧化物包层（SiO2和AlOx）广泛应用于多种核心材料的集成光子学中，特别是与Si3N4结合使用，其折射率与溶液衍生的BTO相当，能够支持有效的光学限域。最近，使用SNIL实现的单片式溶液加工BTO波导的演示凸显了将此类材料集成到片上光子电路中的可扩展途径。这种方法还能够在波导内实现铁电畴极化，支持高效的电光调制。在此背景下，透明导电氧化物（如ITO）作为共形电极的引入（已在集成epsilon近零调制器中得到证明）进一步支持了电驱动集成器件的可行性。

通过实施高品质因子共振，如连续域中的准束缚态，可以进一步优化效率，从而最大化消光比。对于多晶BTO，减少孔隙率不仅可以提高材料的有效折射率，从而放宽当前对高Q共振的设计限制，而且还可以改善纳米结构的绝缘性能，使电场分布更接近模拟预测。在此背景下，这里应用的SNIL方法提供了一个高度适应性强的制造平台，非常适用于各种平面光学组件。最近基于溶液衍生铁电体的超透镜的演示凸显了这种方法的潜力，而在这项工作中实现的增强调制效率为开发高速、可扩展的电光超表面和基于BTO的超透镜（迄今为止主要停留在理论研究阶段）提供了一条实用途径。

4. 实验部分

溶液衍生BTO的合成及其通过SNIL的压印工艺，以及用于器件电光表征的光学装置，均可在先前的工作中找到详细描述。关于制备工艺，两种器件的截面图如图1c、e所示。对于嵌入式器件和共形器件，分别将100 nm厚的ITO电极溅射在1 mm厚和500 μm厚的熔融石英衬底上。随后，将BTO溶胶-凝胶在1000 rpm下旋涂5秒，并使用软聚二甲基硅氧烷模具压印超表面。样品在70°C固化2小时后，移除模具，然后以2°C/分钟的升温速率在800°C下退火2小时，使BTO从非晶相转变为多晶相。在嵌入式配置中（图1c），添加500 nm厚的旋涂玻璃作为BTO柱的覆盖层，并在400°C下热处理30分钟。之后，通过反应离子刻蚀去除BTO超原子上方约290 nm的多余SiO2，直到突出的柱出现，如图1d所示。RIE在20 mTorr压力下使用CHF3/Ar等离子体气体进行。最后，在两个器件上，通过原子层沉积沉积20 nm的AlOx层，随后作为器件制造的最后一步，在选定区域共形溅射100 nm厚的顶电极。ITO顶电极的选择性沉积是通过光刻图案化所需区域和剥离工艺实现的。

超表面由圆柱形柱状晶胞组成，通过调节周期（400-600 nm）和柱直径（100-300 nm），可以在可见光和近红外光谱范围内实现工程化共振。嵌入式器件和共形器件的柱高分别约为260 nm和225 nm，残留层厚度分别为45 nm和55 nm。如先前报道，压印纳米结构的体积收缩施加了0.5的填充因子限制以抵消这种效应。这里实现的深宽比接近1。