在本研究中，使用具有各向异性元原子 2,19,20 的几何相位实现了全相位调制。元原子应作为半波片工作，以确保高转换效率（补充说明3）。考虑到制造可行性，我们通过改变宽度从70到200 nm、长度从260到400 nm、高度从500到900 nm和厚度从0到40 nm来模拟元原子的转换效率。由于高度和厚度对转换效率的影响至关重要，因此计算并绘制了每个高度和厚度的最大效率（图2b）。在532 nm波长下，高度为900 nm、厚度为23 nm、长度为380 nm、宽度为70 nm的间原子实现了89.6%的最高转换效率（图2c）。此外，设计的元原子具有宽带特性，在532和450 nm（68.2％）以及635 nm（79.7％）下表现出高效率（补充说明4）。正如预期的那样，所有三个波长（即 450、532 和 635 nm）的最大转换效率随着厚度的增加而显着提高，证实了高折射率涂层提高了有效折射率（图 2d）。最后，我们通过实验证实，通过偏转转换光，设计的元原子在532、635和450 nm处的转换效率分别为77.8%、64.8%和60.9%（补充说明5）。

高折射率原子层-聚合物混合超表面的行为可以使用模态分析来解释。对于圆偏振入射光，两种主模式，即准横电模式和准横磁模式，分别受到 x 偏振和 y 偏振光的同等激发。在几何相中，元原子的双折射是实现交叉偏振态高转换效率所必需的，双折射由两个主模之间的折射率差（Δn）表示。在此设计的系统中，理想元原子所需的双折射率为 0.3（补充说明 6）。在这两种模式下，树脂周围的高折射率薄膜限制了电场，防止泄漏到自由空间（图2e、f和补充说明7）。准横磁模式和准横电模式的有效折射率分别为1.20和1.42，而在没有薄膜的情况下，它们分别仅为1.05和1.10。光限制会导致双折射增强（Δn = 0.22），从而实现更高的转换效率（补充说明8）。模拟能量分布还表明，高折射率薄膜和纯树脂元原子分别表现出强光限制和弱光限制（补充说明9）。

本研究利用几何相位实现全相位调制；然而，混合超表面也可以包含不同类型的超表面，包括传播阶段超表面，这意味着我们的方法可以扩展到各种类型的超表面（补充说明10）。此外，通过使用不同的高折射率和聚合物材料来优化混合超表面的光学性能，可以在其他波长下实现高折射率。因此，我们的混合材料在扩大超表面材料使用范围方面表现出巨大的潜力。

可见超镜头的量产

制造过程示意图如图3a所示。ArF 浸没式扫描仪的 4X 标线是使用电子束光刻技术编写的。使用分辨率为 40 nm 的 ArF 浸没式扫描仪，在 12 英寸硅晶圆上连续曝光 669 个直径 1 厘米的超透镜芯片。然后，通过顺序沉积和蚀刻工艺将曝光的光刻胶图案转移到硅晶圆上，形成母模（图3b-d和补充说明11）。

将硬聚二甲基硅氧烷 (h-PDMS) 溶液涂覆在母模上并固化

，由于其高模量 (~10 N mm –2 )，以 70 nm 的高分辨率复制超表面（参考文献 < b1>）。然后将由 PDMS 组成的柔性缓冲层涂覆到 h-PDMS 层上以形成复制模具（图 3e 和补充说明 12）

。将压印树脂滴到复制模具上并用玻璃基板覆盖。MINS-311RM 因其低表面能、低收缩率 (<5%) 和相对较高的折射率而被用作 UV 固化压印树脂。压印树脂在压力和紫外线照射下完全固化。释放复制模具会在玻璃基板上产生树脂纳米结构。

由于压印树脂的表面能较低，树脂纳米结构无需任何表面处理即可轻松从复制模具上分离。然后通过 ALD 将一薄层 TiO 2 涂覆到印刷的树脂纳米结构上（图 3f，g），这使得超透镜可以从尺寸在 4 英寸到 12 英寸之间的玻璃晶片上进行可扩展的压印（图 3）。1）。对批量生产的超透镜进行缺陷检查以确定产量。从4英寸晶圆转移的超透镜的良率是95%（补充说明13）；然而，产量随着晶圆尺寸的增加而降低。在优化的转移条件下使用自动化纳米压印设备可以进一步提高产量。

图 3：使用 ArF 浸没式扫描仪大规模生产高效可见超透镜。

a，使用 ArF 浸没式扫描仪大规模生产高折射率可见超透镜的示意图。ACL，无定形碳层。

b，制作的 12 英寸母版印章的照片。

c，制作的主印章的放大照片。

d，制作的母印模的扫描电子显微镜图像。

e，制造的复制模具的扫描电子显微镜图像。

f，直径为 1 厘米的复制超透镜的照片。

g，具有高折射率涂层的复制超透镜的 5° 倾斜扫描电子显微镜图像。比例尺，2 μm。

我们的制造方法具有高通量、大面积、高分辨率、低成本的高折射率介电纳米结构图案化的特点。值得注意的是，超镜头的大规模生产是通过使用ArF浸没式扫描仪、纳米压印光刻仪器和ALD设备实现的。

首先使用分辨率为 40 nm 的 ArF 浸入式扫描仪来制造 12 英寸母版印模，一旦压印即可复制 669 个超透镜。高分辨率不仅可以实现 75 nm 的宽度临界尺寸，还可以实现 40 nm 的间隙临界尺寸（图 3d）。考虑到树脂的收缩，长度和宽度均被制造为大于目标尺寸。

纳米压印光刻可以以极低的成本重复、快速地复制主印模图案，随后被用来降低 ArF 光刻的高制造成本。纳米压印光刻是一种高通量技术，只需 15 分钟即可将图案从复制模具复制到基材上；然而，优化紫外线灯的强度可能会进一步缩短复制时间。此外，我们的制造方法具有高度可持续性，因为掩模版、母版和复制品模具是可重复使用的（补充说明14）。

最后，ALD 用于增加元原子的有效折射率。在压印树脂上涂覆TiO 2 薄膜也可以增强树脂强度。与纯压印树脂相比，元原子的弯曲刚度增加了约770倍（补充说明15）。所有三个制造步骤均与成熟且完善的半导体制造方法兼容，无需额外的程序或设施。

所制造的超透镜的表征

直径 1 厘米的超透镜设计遵循理想相位分布 (φ ideal ) 并聚焦透射光的交叉偏振分量，如下式所示

其中 λ = 532 nm 是波长，x 和 y 是超透镜上每个元原子的空间坐标，f = 2.45 cm 是数值孔径 (NA) 为 0.2 的焦距。为了实现理想的相位分布，根据几何相位的概念，元原子在每个位置旋转 �=φideal2 （式（1））。瑞利-索末菲衍射公式 22 用于模拟离散相位的聚焦特性（补充说明16）。由于色差，两个不同波长的焦点在 450 nm 和 635 nm 处偏移了 2.90 和 2.05 cm，分别对应于 NA = 0.17 和 0.24。应用上述原理，设计了直径为1厘米的超透镜，其在532 nm处的NA为0.2。

所制造的超透镜的性能通过使用定制测量设备的聚焦特性表征来评估（补充说明17）。在不同波长下测量 x-z 平面上焦点的强度分布（图 4a）。RGB 波长下的焦距和相应的 NA 与模拟结果一致，观察到的变化可以忽略不计。与转换效率直接相关的衍射效率在450、532和635 nm处也分别为40.9%、55.6%和44.6% 23 。使用测得的衍射效率，我们计算出在 450、532 和 635 nm 处的遮光眩光分别为 0.82、0.83 和 0.79，这是根据测得的衍射效率计算得出的，而 0.47、0.61 和 0.51 的总体性能指标是在分别为 450、532 和 635 nm 24 。模拟转换效率和测量衍射效率之间的差异可以通过改进和优化的设计 13 和制造工艺 25 来解决。焦平面上的归一化强度分布用相应的斯特列尔比（SR）来证明（图4b，c）。每个 SR 值在不同波长下接近一致（在 450、532 和 635 nm 处分别为 0.81、0.90 和 0.86），表明该镜头充当理想的衍射极限成像系统。

图 4：所制造的超透镜的光学特性。

a，在 450、532 和 635 nm 波长处测量的 x-z 平面焦点的强度分布。b，测量的焦平面的归一化强度分布。c，b对应的聚焦强度线轮廓。d，理想超透镜和制造的超透镜在532 nm波长下的MTF比较。

通过使用模拟点扩散函数计算调制传递函数（MTF）来分析超透镜的成像能力。MTF 定义为点扩散函数的傅里叶变换的幅度，描述了超透镜在分辨率和对比度方面的性能。因此，超透镜的MTF可以表示为 26

其中 I(x, y) 表示点扩散函数，f x 和 f y 分别表示沿 x 轴和 y 轴的空间频率。比较了理想衍射极限成像系统和实验超透镜成像系统在设计波长下的MTF曲线（图4d）。空间频率使用2×NA/λ的截止频率进行归一化，这表示NA值和波长限制了空间分辨率。测量的超透镜的 MTF 曲线与所有三个波长下的理想衍射极限超透镜的 MTF 曲线类似（补充说明 18）。为了确认我们批量生产的超透镜的成像能力，我们在 450、532 和 635 nm 处对 1951 年美国空军的负目标（第 6 组和第 7 组的所有元素）进行了成像（补充说明 19）。因此，我们确认批量生产的超镜头遵循理想的镜头方程，具有近乎理想的聚焦。

Metalens驱动的VR设备

作为概念验证，大规模制造的超透镜应用于 VR 设备，由于其能够提供生动的三维视觉体验 27,28 ，这些设备最近作为下一代显示器而受到广泛关注。VR设备主要需要紧凑、轻便、大光圈的镜头来获得舒适的用户体验。在这里，我们展示了一种具有轻质超薄超透镜的近眼 VR 显示系统。图 5a 显示了使用批量生产的超透镜的系统示意图。与虚拟图像反射或衍射到用户眼睛上的传统 VR 设备不同，该设备中的超透镜位于眼睛前面的透射目镜中，以减少光路。如图5b所示，最大视场角（FOV）由出瞳距离（d e ）和镜头孔径（a）决定：FOV=2tan −1 （ a/2d e ）。因此，通过增大透镜孔径，可以无限制地增大透射型目镜的视场角。VR 设备的原型在设计的显示系统中使用高性能超透镜进行了演示（图 5c-h）。虚拟图像是

使用由显示面板、圆偏振器和超透镜组成的系统捕获的。

图 5：Metalens 集成虚拟信息成像。

a，使用制造的超透镜的 VR 近眼显示系统示意图。b，系统横截面图，带有详细参数。c–h，使用无源显示器生成的 VR 图像，显示三种颜色的字母 (c–e) 和徽标 (f–h)：蓝色（c 和 f）；绿色（d 和 g）；红色（e 和 h）。这里显示的图像是用手机拍摄的。

VR 设备超镜头的主要优势在于其轻巧紧凑的外形。在传统的VR设备中，显示面板和成像系统之间的焦距扩大了设备的外形尺寸，从而增加了设备的体积，其中大部分是空的。我们的超镜头作为透射目镜，可以解决这一限制并实现紧凑的外形。虽然我们的紧凑系统表明我们量产的超透镜可以成功应用于VR成像，但超透镜的性能还可以进一步提高。可以通过增加镜头的NA来缩短焦距。高数值孔径超透镜可实现比传统透明近眼显示器更宽的视场。最后，消色差超镜头能够实现虚拟信息的全彩成像。用于高性能 VR/AR 设备的高数值孔径和消色差超透镜的设计和制造方法是众所周知的，并且此类设备已经被引入 12,13 。我们相信，通过将我们的制造方法与上述设计方法相结合，具有紧凑外形的高性能 VR/AR 设备可以实现商业化。

在过去的二十年中，人们对用于替代衍射光学器件的超透镜进行了深入研究。然而，由于现有商业制造工艺的限制，它们尚未实现商业化。我们通过引入一种简单而强大的方法来低成本、高通量地大规模生产厘米级超透镜，完全解决了这一长期存在的挑战。我们的方法依赖于 ArF 浸没式扫描仪、纳米压印光刻和 ALD，这得益于成熟且众所周知的半导体制造方法。分辨率为 40 nm 的 ArF 浸入式扫描仪用于制作 12 英寸母版印模，用于生产厘米级可见超透镜。使用纳米压印光刻技术，可以以极低的成本将母版印模图案复制到基材上。最后，通过 ALD 沉积一层薄薄的高折射率材料涂层，以增加有效折射率。这种薄涂层显着提高了印刷超透镜在所有三个波长下的转换效率：450 nm (68.2%)、532 nm (89.6%) 和 635 nm (79.7%)。量产的超透镜在450、532和635 nm处的衍射效率分别为40.9%、55.6%和44.6%。这种方法可以在实验室环境中可靠且高效地批量生产数百厘米级的超透镜。我们的可扩展制造方法在所有主要评估指标上都显示出优于传统制造方法的性能，并且在材料方面保持了高度的自由度（补充说明20）。展示了超透镜集成 VR 设备的原型作为概念验证。这款轻量、小型的 VR 设备可以通过 RGB 颜色显示虚拟信息。我们的方法还可以应用于各种超表面 29 的大规模生产，包括连续体中的束缚态 30 、生物传感器 31,32 、彩色打印 33,34,35,36 。我们相信这项工作将使超表面的工业化生产成为可能。

方法

折射率的测量

使用椭圆光度法测量压印树脂和高折射率 TiO 2 薄膜的折射率。使用柯西色散模型对测量的 s 和 p 分量之间的振

幅比和相位差进行拟合。压印树脂和TiO 2 薄膜的模型系数确定为均方误差分别为7.340和11.324。

数值模拟

本研究获得的所有结果均使用基于有限元方法的商业软件 COMSOL Multiphysics 6.0 进行计算。所有模拟均在具有周期性边界条件的 x-y-z 空间内进行。

母版印章制作

掩模版由二氧化硅基板上的硅化钼组成。使用高功率电子束光刻（JBX 系列，JEOL）将超透镜掩模版转移到正性光刻胶（FEP 系列，Fujifilm）上。曝光的图案在四甲基铵中显影。然后使用电子束蒸发器使用硅基板作为簇模具沉积 69 nm 厚的硅化钼层。使用 ArF 光刻（XT-1900Gi，ASML）将掩模版图案转移到正性光刻胶上。曝光的图案在四甲基铵中显影。

纳米压印光刻

簇模具涂有液相自组装单层溶液，用于 h-PDMS 脱模。通过混合己烷和(十七氟-1,1,2,2-四十二烷基)三氯硅烷(H5060.1，JSI Silicone)制备自组装单层溶液。这里，h-PDMS是通过旋涂乙烯基甲基硅氧烷（3.4克，VDT-731，Gelest）、铂催化剂（18μl，SIP6831.2，Gelest）、调节剂（0.1克，2,4,6,8）的混合物来制备的。-四甲基-2,4,6,8-四乙烯基环四硅氧烷，Sigma-Aldrich）、甲苯（2.0 g）和固化剂（1.0 g，HMS-301，Gelest）分两步：500 rpm 10 s，3,000 rpm 50 s，然后在80℃下烘烤2小时。将PDMS（SYLGARD 184A，Dow Corning）与固化剂（SYLGARD 184B，Dow Corning）混合并在真空室中脱气30分钟以除去任何气泡。将混合物倒入簇模具上并在80℃下固化3小时以从簇模具上剥离h-PDMS层。将 UV 固化树脂（MINS-311RM，Minuta Tech）倒在制作好的印模上，并将 UV 树脂面朝下放置在玻璃基板上。在紫外线照射下（IMDE04-A01，Jungang Automation Technology）对样品进行 2 巴压制，以固化 UV 树脂并转移超透镜模板。最后，在室温下将制作好的印模脱模后，在玻璃基板上创建 UV 树脂超透镜模板。

TiO 2 沉积条件

使用热和等离子体时分 ALD 站（NexusBe，Nexus Plaminar 系列）将等离子体增强 ALD TiO 2 薄膜沉积在制造的树脂纳米结构的顶部。使用四(二甲基氨基)钛(IV) (TDMAT, (Ti(NMe 2 ) 4 ))作为Ti前驱体，并使用氧等离子体(350 W, 1 torr)用作反应物。沉积过程包括 0.5 s TDMAT 脉冲、15.0 s 氩气吹扫、5.0 s 氧等离子体暴露和 80 °C 的 ALD 室中 15.0 s 氩气吹扫。每个周期的生长率为 1.0 Å。