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本文小编分享一篇来自华中科技大学的文章，本文作者对前人的作者做了很好的分析，并且提出了一种新的超透镜结构的材料，Ta2O5.

介电超表面对结构材料的要求：

高折射率，低光学损耗和宽带隙，同时易于制造

作者对前人成果的总结：

从近红外到太赫兹区域工作的超表面：Si

可见光：SiN 、GaN，TiO 2 

紫外：HfO 2 、Nb 2 O 5， AlN，ZrO2

本文作者提出的材料：反应溅射 Ta3O5+电子束光刻+RIE刻蚀

划重点：

我们为客户提供晶圆（硅晶圆，玻璃晶圆，SOI晶圆，GaAs，蓝宝石，碳化硅，金刚石），镀膜方式（PVD，cvd,Ald）和材料（Au Cu Ag Pt Al Cr Ti Ni Sio2 Tio2 Ti3O5，Ta2O5），光刻，高精度掩模版，外延，掺杂,电子束光刻等产品及加工服务(请找小编领取我们晶圆标品库存列表，为您的科学实验加速。

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五氧化二钽：紫外和可见光区高性能介电超表面光学的新材料平台

摘要

介电超表面由亚波长介电结构的平面阵列组成，共同模仿传统体光学元件的操作，因其在构建高效、多功能芯片光电系统方面的潜力而彻底改变了光学领域。介电超表面的性能很大程度上取决于其构成材料，人们非常希望其具有高折射率、低光学损耗和宽带隙，同时易于制造。在这里，我们提出了一种基于五氧化二钽（Ta 2 O 5 ）的新材料平台，用于在紫外和可见光谱区域实现高性能介电超表面光学。这种宽带隙电介质在整个广谱范围内表现出超过 2.1 的高折射率和可忽略不计的消光系数，可以使用直接的物理气相沉积轻松地在大面积上以良好的质量沉积，并通过通常的方法将其图案化为高深宽比亚波长纳米结构。-可用氟气反应离子蚀刻。我们实现了一系列高效的紫外和可见超表面，具有代表性的光场调制功能，包括偏振无关的高数值孔径透镜、自旋选择性全息投影和生动的结构色生成，并且这些器件的运行效率高达80%。我们的工作克服了常用超表面电介质的可扩展性及其在可见光和紫外光谱范围内的操作所面临的限制，并为实现高性能、坚固且可代工制造的超表面光学器件提供了一条新途径。

介绍

近年来，全电介质超表面领域发展迅速，其特点是运行效率高、传输模式操作简便，可在紧凑且易于集成的平台上实现光场的时空整形 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 。研究人员使用一系列具有不同带隙的介电材料展示了一系列高性能超表面器件，其工作范围从太赫兹到可见光和紫外线 (UV) 频率 11,12,13,14,15,16 。这些器件在成像 17,18,19,20 、显示 21,22,23,24 、传感 25,26,27 、量子光学 28,29,30 等领域有着广泛的应用。对于从近红外到太赫兹区域工作的超表面，由于围绕 Si 构建的互补金属氧化物半导体 (CMOS) 工艺实现了成熟且广泛使用的纳米加工技术，因此已常规使用硅 (Si) 31,32,33 。对于在可见光下工作的器件，已被雇用。这些材料的高深宽比亚波长纳米结构是通过专用反应离子蚀刻（RIE）工艺或结合低温原子层沉积（ALD）的基于抗蚀剂的镶嵌工艺制造的。对于在紫外线下工作的超表面光学器件，宽带隙电介质，例如氧化铪 (HfO 2 )、五氧化二铌 (Nb 2 O 5 ) 和氮化铝 (AlN) 是常用材料。最近，基于 ALD 的镶嵌工艺得到进一步发展，可实现由氧化铪 (HfO 2 ) 42 或五氧化二铌 (Nb 2 ) 43 ，克服用于图案化这些宽带隙电介质的 RIE 配方的局限性。在数值研究 44 和使用微米级波带板状结构 45 的实验演示中，AlN被提议用于紫外超表面——然而，它作为紫外超表面光学的可行平台的潜力仍有待开发，因为需要进一步研究将 AlN 图案化为具有良好控制侧壁轮廓的高纵横比、亚波长纳米结构。除了宽带隙电介质之外，还提出了几种用于紫外元光学的替代材料平台。例子包括二氧化锆（ZrO 2 ）纳米粒子嵌入的UV固化树脂 46 和范德华材料 47,48,49,50 。通过适当的化学合成工艺，将ZrO 2 纳米粒子分散在紫外光固化树脂中，研究人员能够获得一种在宽紫外范围内具有宽带隙和高折射率的新型压印光刻胶。氮化硼（BN）等范德华材料在可见光和紫外区域表现出高折射率和宽带光学透明度，并已被用于构建不同的激子、纳米光子和量子器件。不幸的是，这些材料独特的片状形态可能会严重限制其在大型设备中的适用性。此外，它们明显的各向异性光学响应虽然为设备设计提供了额外的维度，但也可能在典型的超表面应用中带来挑战。实现在缺乏透射光学材料的更短波长区域（例如真空紫外（VUV）和极紫外（EUV））运行的超表面具有挑战性，也是一个活跃的研究领域。所展示的努力包括通过介电超表面 51,52 产生非线性信号、不透明金属薄膜中的光子纳米筛 53 以及通过硅膜中的孔引导真空 54 。

高效介电超表面的实现涉及将高折射率和低损耗介电材料塑造成具有良好控制形状、尺寸和方向的高纵横比亚波长纳米结构。介电超表面的性能很大程度上取决于其构成材料。理想的材料应该具有高折射率（例如，[数学处理错误]> 2.0）和大带隙（[数学处理错误]），有助于在短波长下进行无损操作，同时，可以使用标准 CMOS 工艺将其图案化为高纵横比纳米结构，其侧壁轮廓笔直且光滑，可确保准确实现所设计的结构。在超表面常用的介电材料中，硅可以很容易地图案化成各种几何形状的纳米结构，但其带隙较窄（]≈ 1.1 eV）在很大程度上将工作波长限制在近红外光谱区域。为了在较短波长（例如可见光区域）下实现无损操作，已采用 SiNx、GaN 和 TiO2 等替代电介质。然而，它们的高质量薄膜通常是通过某些化学气相沉积 (CVD) 工艺使用各种前体的组合来生长的，并且相关的纳米图案化技术相对复杂，涉及精心开发的 RIE 或镶嵌工艺。对于紫外和深紫外区域，选择宽带隙电介质，例如 Nb2O5 和 HfO2，其高深宽比纳米图案迄今为止仅限于基于低温 ALD 的镶嵌工艺。然而，基于 ALD 的镶嵌工艺制造的超表面与 CMOS 不兼容，因此在商业上不可行，很大程度上限制了其可扩展性。第一节“补充信息”详细阐述了不同候选材料的比较。

在这里，我们展示了一种基于五氧化二钽（Ta2O5）的新型介电超表面平台。我们通过常用的物理气相沉积 (PVD) 和 RIE 工艺实现高性能紫外和可见超表面光学器件，克服了如上所述的标准介电材料对镶嵌工艺的依赖。选择 Ta2O5（激光干涉仪引力波天文台 (LIGO)55 中使用的介质镜的高折射率成分）的理由是 (i) 其宽带隙 ≈ 4.0 eV（对应于自由空间波长= 309 nm），可在整个可见光和近紫外光谱以及部分中紫外区域实现低损耗超表面操作；(ii) 使用常见的氟基 RIE 工艺将其图案化为高纵横比纳米结构的能力。Ta2O5 的大非线性光学系数可以通过掺杂其他电介质（例如 Nb2O556）进一步增强，最近已被用于光学微谐振器中的频率梳生成和光学参量振荡器57,58，并提供了实现 用于谐波产生、光开关和调制以及量子信息处理的非线性超表面。

我们使用反应磁控溅射工艺沉积高质量、紫外和可见光透明的 Ta 2 O 5 薄膜，并通过氟-将薄膜图案化为高纵横比纳米结构。基于气体的 RIE 工艺。我们实现了一系列高效的紫外和可见光超表面，提供了一组代表性的光场调制功能。我们首先展示了一组具有不同数值孔径（NA）范围从0.5到0.7的UV超透镜，它们由具有圆形面内横截面的Ta 2 O 5 纳米柱制成并表现出低至衍射极限的偏振不敏感聚焦能力。经实验测量，超透镜在 325 nm 工作波长下的聚焦效率高达约 65%。然后，我们实现了宽带紫外和可见光超全息图，它们由椭圆形面内横截面的 Ta 2 O 5 纳米柱制成，并提供跨越近场的自旋选择性全息投影。- 紫外线和蓝色区域。该器件在 325 nm 处的峰值运行效率超过 70%。我们进一步展示了一系列由支持几何米氏共振的共振 Ta 2 O 5 纳米柱制成的结构颜色生成超表面。该器件在整个可见光区域产生明亮、高纯度的反射颜色，测得的峰值效率约为 80%。我们的工作为使用 CMOS 兼容工艺在紫外和可见光区域运行的高性能介电超表面提供了一条稳健且低成本制造的新途径，并促进了基于平面光学元件的紧凑外形和多功能光子系统的实现。临界光谱区域。

结论

材料制备和纳米结构制造

Ta2O5 薄膜是使用 Ta2O5 靶材通过射频 (RF) 磁控溅射工艺沉积的（图 1a）。插图显示了沉积在直径 50 毫米的熔融石英基板上的 400 纳米厚的 Ta2O5 薄膜的图片。薄膜厚度和折射率均通过光谱椭圆光度法表征，如“材料和方法”部分中详述。尽管Ta2O5具有固有的宽带隙，但使用传统磁控溅射沉积的薄膜不可避免地会存在缺陷，因此表现出亚带隙吸收（图1b，洋红色曲线）。为了解决这个问题，我们开发了一种使用氧气 (O2) 的反应射频溅射工艺。随着O2气体流量的增加，溅射的Ta2O5薄膜表现出单调递减的吸收系数[数学处理误差]

  在紫外和可见光区域（图 1b，橙色和蓝色曲线）。当 O2 流量为 2 标准立方厘米每分钟 (sccm) 时，沉积的 Ta2O5 薄膜表现出折射率 [数学处理误差]> 2.27 在整个紫外线范围内，以及可忽略不计的吸收系数 [数学处理错误]  下降到[数学处理错误]

≈ 300 nm。O2 流量的进一步增加不会导致所得薄膜的折射率发生任何明显的变化。值得注意的是，我们开发的薄膜沉积工艺不需要任何特殊的基底（例如，用于晶格匹配），也不需要在薄膜沉积过程中加热（冷却）基底，因此可以直接、高通量地沉积高光学质量的 Ta2O5 在室温下将薄膜沉积到各种类型的基材上。尽管本研究中使用磁控溅射工艺沉积 Ta2O5 薄膜，但其他 PVD 工艺（例如热蒸发、电子束蒸发、脉冲激光沉积等）以及 ALD 也可用于高质量 Ta2O5 薄膜制备。

图 1：材料制备和纳米结构制造。

a 用于 Ta 2 O 5 薄膜沉积的基于 O 2 气体的射频反应磁控溅射工艺示意图。插图：沉积在直径 50 毫米熔融石英基板上的 400 纳米厚 Ta 2 O 5 薄膜的照片。b 不同 O 2 气体流量下溅射沉积的 Ta 2 O 5 薄膜的折射率 n 和消光系数[数学处理误差]，其特征为椭圆偏振光谱仪。c Ta 2 O 5 超表面光学器件的制造流程图，其关键步骤包括使用开发的溅射配方进行薄膜沉积、电子束光刻、Al 2 O 3 蚀刻掩模剥离和基于氟气的 RIE。不同几何形状的 Ta 2 O 5 纳米柱细节的 d–f 扫描电子显微照片 (SEM)

超表面光学器件制造（图 1c）首先使用开发的反应溅射工艺将目标厚度的 Ta 2 O 5 薄膜沉积到 500 µm 厚的熔融石英基板上。然后，将 200 nm 厚的正电子束抗蚀剂层旋涂到薄膜上，然后蒸发 20 nm 厚的防充电铝 (Al) 层。使用 100 keV 电子束光刻系统曝光纳米结构图案，然后用稀释的四甲基氢氧化铵 (TMAH) 去除 Al 层，并在 4 °C 下用乙酸己酯进行抗蚀剂显影。抗蚀剂层中的显影图案通过剥离工艺转移到蒸发的 50 nm 厚的氧化铝 (Al 2 O 3 ) 层。以纳米结构Al 2 O 3 层为刻蚀掩模，电感耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE，混合气体：C 4 F< b7> 和 O 2 ；ICP 功率：2000 W；RF 功率：15 W），以图案化底层 Ta 2 O 5 在 50 °C 下沉积并形成高纵横比的 Ta 2 O 5 纳米柱。超表面光学器件制造的最后是将样品浸泡在氢过氧化物和氢氧化氨溶液的混合物中，在 80 °C 下加热 30 分钟，以去除 Al 2 O 3 蚀刻掩模和任何蚀刻残留物。

所制备的 Ta 2 O 5 纳米柱的代表性扫描电子显微照片（SEM）如图 1d 至 f 所示，显示出笔直且光滑的侧壁轮廓。选择经常用于大量介电超表面器件的具有不同几何形状和尺寸的图案来说明所开发的制造工艺的多功能性。另外，图1d和e对应于开放（暴露）面积较大的蚀刻情况，而图1f对应于开放面积较小的情况。图1d显示了一组经常使用的具有圆形（对称）面内横截面的高纵横比（≈10:1）Ta 2 O 5 纳米柱构建具有与偏振无关的响应的介电超表面。图 1e 显示了具有更高纵横比 (≈12:1) 的 Ta 2 O 5 纳米柱阵列，其呈现矩形（不对称）面内横截面。与对称的 Ta 2 O 5 纳米柱不同，这些结构通常用于具有偏振依赖性的超表面（例如，线性偏振复用、自旋复用、自旋选择性、等）的回应。图 1f 显示了具有中等纵横比的紧密堆积的 Ta 2 O 5 纳米柱阵列。这些结构可用于创建介电米氏谐振器，用于光谱滤波、局部光场增强、非线性谐波生成等。

与偏振无关的 UV 超透镜

为了展示该材料平台和所开发的纳米图案化技术的多功能性，我们选择分别基于传播相位 31,59 和几何相位 39,60 实现两种不同类别的超表面，用于紫外光波前整形。，这是目前介电超表面采用的两种最具代表性的波前控制方法。

φ,基于传播相位的超表面由 Ta 2 O 5 圆柱形纳米柱的方形晶格组成，其中每个柱的直径随着其在超表面平面上的空间位置而变化（图2a）。每个纳米柱都充当截断的介电波导，具有低反射率的顶部和底部界面，光通过该介电波导以透射率 T 和相移 [数学处理误差] 进行传播，由柱高度 H、柱直径 D 和晶格间距 P 控制。由于纳米柱面内横截面的对称性，传播相位与入射光偏振无关。设计超表面、透射率、T 和感应相移，[数学处理误差]�0直径为 D、高度为 H、晶格间距为 P 的圆柱形 Ta 2 O 5 柱阵列，在目标操作自由空间波长的平面波正入射照明下 �0

= 325 nm，使用具有周期性边界条件的时域有限差分 (FDTD) 模拟计算得出。经过几轮迭代后，选择了柱子高度 (H = 340 nm) 和亚波长晶格间距 (P = 200 nm)，以及一系列柱子直径 (D [数学处理误差] [50, 160] nm)，产生在 0 至 2π 的整个范围内变化的相移，同时在 [数学处理误差] 下保持入射光相对较高且恒定的透射率 = 325 nm (Fig. 2b).= 325 nm（图 2b）。

图 2：与偏振无关的 UV 超透镜。

a 与偏振无关的超表面晶胞的示意图，由高纵横比 Ta 2 O 5 圆柱组成，高度为 H，横截面直径为 D，排列在a SiO 2 衬底，形成亚波长晶格间距 P 的方形晶格。b 自由空间波长 = 325 nm 的入射光的透射强度 T 和相移 φ，为柱直径 D 的函数。相应的柱高度 (H = 340 nm)、晶格间距 (P = 200 nm) 和柱直径范围 (D [50, 160] nm) 为选择的。为了便于显示，直径 D = 50 nm 的柱子的相移设置为零。c 与偏振无关、直径为 500 µm 的超透镜在 = 325 nm 处的法向入射平面波照明下聚焦的示意图。d 左图：制作的 NA = 0.5 超透镜 的俯视 SEM 图像，由不同直径的圆柱形 Ta 2 O 5 纳米柱组成。右图：NA = 0.5 超透镜（ ，上半部分）和 NA = 0.7 超透镜（ ，下半部分）的光学显微照片。e 焦平面沿 x 轴（点）的强度分布，针对超透镜 进行测量。显示理论预测（线）以供比较。插图：焦平面处的强度分布。f 测得的聚焦效率与超透镜数值孔径 (NA) 的函数关系。误差线表示测量数据的两个标准偏差

利用获得的纳米柱库，我们实现了一系列数值孔径 (NA) 值范围为 0.5 到 0.7 的超透镜。四个直径为 500 µm 的超透镜 、 、 和 均设计用于聚焦< b4> = 325 nm（图2c），但NA值分别为0.5、0.55、0.6和0.7。相关焦距 、 、 和 分别为 433 µm、379.6 µm、333.3 µm 和 255分别为微米。法向入射平面波的单态模式聚焦可以通过在超表面平面上实现径向对称相移函数 来实现。这里， 是焦距，x和y是在给定沿z方向传播的入射光的情况下沿正交方向距透镜中心的面内距离。

图 2d 的左图显示了所制造的 NA = 0.5 超透镜 细节的 SEM 图像，该超透镜由具有空间变化直径的圆柱形纳米柱组成。图 2d 的右图显示了 NA = 0.5 超透镜（ ，上半部分）和 NA = 0.7 超透镜（ ，下半部分）的光学显微照片。超透镜使用定制的光学装置进行表征（详细信息请参见“材料和方法”部分）。对于每个超透镜，在设备焦平面上测量的强度分布揭示了一个圆形对称的焦斑，其特征在于其横截面与理论上预测的具有一定数值孔径的衍射极限透镜的强度分布非常匹配，由艾里斑函数给出 ，其中 是第一类一阶贝塞尔函数， （图 2e 和图 S 2，补充信息）。聚焦效率定义为聚焦光斑的光功率与照亮超透镜的总功率之比，测量结果为 (64.7 ± 0.3)% ( )、(59.3 ± 1.3)% ( )、(59.1 ± 1.7)% ( ) 和 (51.2 ± 1.8)% ( )。引用的不确定性代表测量数据的两个标准偏差。随着器件数值孔径的增加，超透镜效率呈现缓慢且单调的下降（图2f）。这些获得的效率与基于 HfO 2 的 UV 超透镜的效率相当，后者是通过基于抗蚀剂的镶嵌工艺 42 制造的。

自旋选择性和宽带元全息图

我们还实现了用于自旋选择性全息投影的基于几何相位的超表面，该超表面在左手圆偏振（LCP）光照明下在广泛的紫外和可见光谱上运行。基于几何相位的超表面由 Ta 2 O 5 椭圆形纳米柱的方形晶格组成，形状相同，但旋转角度在空间上变化（图 3a）。每个纳米柱充当入射圆偏振光的小型化半波片，并以相反旋向的圆偏振以及等于柱旋转角两倍的相位延迟进行传输。这种相位调制通常被称为Pancharatnam-Berry (PB)相位或几何相位 60 。为了设计在 = 325 nm 下运行的基于几何相位的超表面，传播 325 nm 波长光的透射率和相移，线偏振光 (i) 平行于主轴 ( 和 ），或 (ii) 平行于椭圆 Ta 2 和 /b8> O 5 纳米柱是使用具有周期性边界条件的 FDTD 模拟计算的。对于选定的柱高度 H = 380 nm 和晶格间距 P = 270 nm，柱的长轴和短轴长度，< b10> 和 ，迭代变化以识别正交主轴组合，同时导致 | − |≈π 和 ≈ ，换句话说，类似半波片操作。为了方便上述参数搜索过程，定义了品质因数（FoM）函数为 和 的各种组合。本研究中选择的柱几何形状（ = 200 nm 和 = 76 nm）由红星表示。

图 3：自旋选择性和宽带元全息图。

a 自旋选择性超表面晶胞的示意图，由高纵横比 Ta 2 O 5 圆柱形柱组成，高度为 H，具有椭圆形横截面（主要和短轴长度D 1 和D 2 ，分别）和旋转角度 布置在SiO 2 基板上以形成具有亚波长晶格间距 P 的方形晶格。自旋选择性光场调制可以通过 D 1 、 D 2 和 的变化来实现晶格内纳米柱位置的函数。b 目标自由空间波长 = 325 时半波片品质因数 (FoM) 与纳米柱面内尺寸（D 1 和 D 2 ） nm，其中蓝色区域（即低 FoM 值区域）对应于满足类半波片操作的 D 1 和 D 2 的各种组合。计算过程中使用柱高 H = 380 nm 和晶格间距 P = 270 nm。本研究中选择的柱几何形状（D 1 = 200 nm 和 D 2 = 76 nm）由红星表示。c 自旋选择性元全息图 在法线入射、左手圆偏振 (LCP) 平面波照明下 ( = 325) 进行全息图像投影的示意图纳米。d SEM 显示所制造的元全息图 的细节，由不同旋转角度的椭圆形 Ta 2 O 5 纳米柱组成。视角：52°。e 由元全息图 在 z = 40 mm 平面上投射的目标（左图）和测量的（中图和右图）全息图像。假设理想的元全息图实现具有设计的相移轮廓 和单位透射率 T，在 = 325 nm 的法向入射照明下，对目标图像进行数值计算

实现的元全息图（表示为 H325LCP ）占据边长为 540 µm 的正方形区域，被映射到笛卡尔坐标系，其中组成超表面位于 � = 0 平面和第一个 x-y 象限，其中一个角位于原点（图 3c）。超全息图的工作原理是，在传输时将左旋圆偏振 (LCP) 入射光转换为右旋圆偏振 (RCP) 光，同时对透射光施加空间变化的相移调制，以实现随后形成全息图像。Gerchberg-Saxton (GS) 算法 61 用于计算投影全息“Ta 2 φ325�(�,�,�0) ” /b7> O 5 UV”图像（4 毫米宽）位于 � = 40 毫米平面，在法向入射平面波照明下 �0 = 325 nm（图 S 3，补充信息）。添加 � = − 3 mm 的额外偏移，以避免生成的全息图像与直接传输的残差重叠光束。

制作的元全息图 H325LCP 的SEM图像如图3d所示。使用定制的成像系统对样品进行表征（详见“材料和方法”部分）。设备在 �0 = 325 nm 照明下投影的测量图像显示在图 3e 的中间面板中，忠实地复制了相应目标图像的形状（左面板） ，图 3e）假设理想的元全息图实现具有设计的相移轮廓 φ325�(�,�,�0) 和单位透射率 T 进行数值计算。测量的效率，定义为总光学的比率全息图像的功率占照亮结构的总功率的比例为(75.9±1.1)%。引用的不确定度代表测量数据的两个标准偏差。所获得的效率值与最近报道的在可见光 39 中运行的基于TiO 2 的元全息图和在UV中运行的基于HfO 2 的器件的效率值相当 42 。所采用的几何相的宽带特性以及 Ta 2 O 5 在紫外和可见光区域的无吸收性质，使得元全息图能够在很宽的波长范围内工作。我们通过实验表征了 LCP 激光束照明 �0 = 407 nm 下的器件性能。捕获的全息图像（右图，图 3e）与图 4e 左图显示的目标图像非常相似，测得的效率为 (37.3 ± 0.3)%。

图 4：结构颜色生成超表面。

a 在法向入射白光下，Ta 2 O 5 Mie 谐振器阵列产生反射模式结构色的示意图。插图：Ta 2 O 5 Mie 谐振器晶胞的示意图，由一个高度为 Ta 2 O 5 的圆柱组成H和截面直径D，排列在SiO 2 衬底上，形成亚波长晶格间距P的正方晶格。固定柱高(H)为240 nm，填充比(f=D/ P) 为 0.7 并将柱晶格间距 (P) 从 260 nm 改变到 400 nm，产生覆盖整个可见光范围的不同反射颜色。b 制造的结构颜色生成超表面的 SEM 图像，其晶格间距为 300 nm (C 300 )，由具有圆形十字的圆柱形 Ta 2 O 5 纳米柱组成-具有统一尺寸和直侧壁轮廓的截面。视角：54°。c 生成具有不同晶格间距的超表面的七种结构颜色的模拟（左图）和测量的（右图）反射光谱。对于每条曲线，所采用的颜色都是根据相关反射光谱计算出的标准 RGB 值精心选择的，并指示人眼感知的颜色。d Ta 2 O 5 超表面打印的彩色文字“META”和“NIST”的光学显微照片

结构颜色生成超表面

沉积的 Ta 2 O 5 薄膜在波长超过 300 nm（材料带隙）时表现出高折射率和可忽略不计的消光系数。如图 1b 所示，2 sccm O 2 沉积的 Ta 2 O 5 没有光学吸收，同时显示出折射率 � > 2.12 在整个可见光范围内（380 nm 至 750 nm）。这为实现在可见光谱下工作的高性能超表面器件提供了一个有前途的材料平台，迄今为止使用TiO 2 、SiN x 和GaN等其他材料实现了这一点。

我们基于 Ta 2 O 5 Mie 谐振器实现结构颜色生成，作为可见波长下高性能超表面的演示。图4a描绘了基于Ta 2 O 5 的结构颜色生成超表面的示意图，该超表面由Ta 2 O 5 � 和直径 � 的圆柱形纳米柱，排列在熔融石英基底上的晶格间距P上。米氏共振 62,63,64 由高折射率 Ta 2 O 5 纳米柱支持，在反射中产生明显的光谱峰。反射峰的中心波长（即产生的反射颜色）可以通过改变纳米柱的一个或多个几何参数（例如其高度、直径或晶格间距）来调整。在我们的设计中，我们将柱子高度（ � ）固定为 240 nm，柱子填充率（ �=�/� ）为 0.7。通过将晶格间距 ( � ) 从 260 nm 更改为 400 nm，可创建覆盖整个可见光范围的不同反射颜色（左图，图 4c）。此外，生成的颜色表现出窄光谱宽度（表明高色纯度），同时峰值反射强度高达 100%（表明高颜色亮度）。图中，每条曲线所采用的颜色是根据相关反射光谱计算出的标准 RGB (sRGB) 值精心选择的，并表示人眼感知的颜色。所设计的颜色生成超表面的角度响应以及调整其光谱线宽的方法分别在第四节和第五节“补充信息”中详细阐述。

七个 500 µm 方形面积 Ta 2 O 5 超表面（ C280 、 C300 、 C320 、 C340 、 C360 、 C380 和 C400 ），晶格间距从 280 nm 变化到 400 nm，步长为 20 nm，被制造和表征。图 4b 显示了 300 nm 周期样品 C300 的代表性 SEM 图像，显示了尺寸均匀的柱子和笔直的侧壁轮廓。所制造样品的测量反射光谱绘制在图 4c 的右图中。同样，每条曲线的颜色都是根据相应的测量反射光谱计算出的 sRGB 值来选择的。模拟和测量的反射光谱在线条形状和感知颜色方面都非常吻合。对于所有获得的样品，峰值反射强度接近约 80%，这与先前演示的基于 Si 和 TiO 2 的结构颜色超表面 22,41,65 相当甚至更高。此外，所有样品主峰的半峰全宽 (FWHM) 值均窄于 约 20 nm，表明所获得的颜色具有高纯度。我们根据模拟和测量的光谱计算颜色坐标，并在 CIE 1931 XYZ 色度图（第六部分，补充信息）中绘制坐标。此外，我们利用四种不同的超表面结构实现了单词“META”和“NIST”的彩色打印，晶格间距分别设置为280 nm、340 nm、360 nm和400 nm。当样品在明场显微镜下用白光照射时，可以清晰地观察到每个组成字母的图像，其颜色均匀且鲜艳（图4d）。

讨论

总之，我们提出了一种基于五氧化二钽 (Ta 2 O 5 ) 的新型介电材料平台，用于在紫外和可见光谱上实现高效超表面光学。Ta 2 O 5 的特点是具有 ≈4.0 eV 的宽带隙值，可在整个可见光和近紫外区域以及部分紫外区域实现低损耗超表面操作。中紫外区。此外，该材料可以使用简单的物理气相沉积轻松地在大面积上均匀地沉积到各种基材上，并通过常见的基于氟气的反应离子蚀刻将其图案化为高纵横比的纳米结构。我们展示了一系列高性能紫外和可见光 Ta 2 O 5 超表面，具有代表性的波前整形能力，即聚焦效率高达 65% 的偏振无关紫外超透镜，自旋-在近紫外和蓝色光谱下工作的选择性元全息图，峰值效率超过 75%，全可见区域结构颜色生成 Mie 谐振器，峰值反射强度接近 80%。得益于这种多功能材料平台，这些设备虽然基于传统设计，但已经表现出与使用其他介电材料的最先进的紫外和可见超表面相媲美的性能。我们相信，通过先进的超表面设计策略，例如拓扑优化 66 和机器学习 67 ，可以进一步提高它们的性能。我们的工作为实现在紫外和可见光区域运行的低损耗和易于制造的介电超表面提供了新的前景，从而实现了原子捕获、高分辨率成像和具有紧凑外形的先进显示等各种应用。

材料和方法

超透镜表征

为了表征超透镜，采用连续波 (CW) 氦镉 (HeCd) 激光 ( �0 = 325 nm) 以法线入射照射每个样品。使用定制的成像系统捕获镜头焦平面上的强度分布，该系统包括 NA = 0.75 物镜和电子倍增电荷耦合器件 (EMCCD) 相机。系统放大倍数的特征是使用高精度电动平台在物镜视场内平移焦斑，测量结果为 ≈546（对于 L3250.5 ），约 548（对于 L3250.55 ）、约 550（对于 L3250.6 ）和约 547（对于 ）。每个超透镜投射的焦斑的物理尺寸是根据校准的放大倍率和 EMCCD 的像素尺寸得出的。

元全息图表征

为了表征元全息图，采用连续波 HeCd 激光 ( �0 = 325 nm) 以法线入射照射样品。一对线性偏振器和半波片用于将入射光束的偏振状态转换为 LCP。EMCCD相机放置在全息图像的平面上，直接记录投影的全息图像。