北京理工：飞秒激光实现GST纳米光栅可逆结构调控与动态光子应用新突破

微纳光子结构的动态可调谐性是实现下一代智能光子器件的关键。传统光学器件一旦制备完成，其结构与功能便难以改变，严重制约了其在动态成像、信息加密、可重构光学系统等前沿领域的应用。相变材料（PCM）如Ge2Sb2Te5（GST）因其非易失、可逆的相变特性，为动态光子学提供了理想平台。然而，现有研究多聚焦于其介电常数调控，而对其在相变过程中伴随的显著体积变化（密度变化约6.5–8.2%）所引发的结构重构潜力尚缺乏系统探索。

针对这一挑战，北京理工大学姜澜院士、韩伟娜研究员团队独辟蹊径，提出了一种基于飞秒激光打印的GST纳米光栅可逆结构调控新方法，实现了从“性能调控”到“结构重构”的跨越。该成果以《Reversible Structural Modulation of Ge2S2Te5-Modified Nanogratings via Femtosecond Laser Imprinting for Dynamic Photonic Applications》为题，发表于《ACS Photonics》。研究首次系统利用GST相变过程中的宏观体积效应，而非传统的介电常数变化，作为结构驱动的物理根源，结合飞秒激光的高精度加工优势，实现了纳米光栅几何形貌的可逆、精准调控。

与传统依赖介电常数调控的策略不同，该方法直接利用GST相变诱导的密度变化，实现了光栅周期、线宽与取向的灵活调制。通过精确控制激光能量、偏振与扫描参数，研究团队成功制备出具有偏振选择性与角度依赖性的结构色光栅，并在此基础上实现了双图案存储、多维信息加密与动态刷新数字显示等多种功能。

 

图1.(a)飞秒激光诱导GST改性纳米光栅的写入、调制、擦除和再写示意图。(b)不同阶段的 GST表面的光学显微图像。比例尺:10微米。(c)带有信息隐藏的彩色动态显示

 

图2.动态刷新数字显示。(a)GST改性纳米光栅结构擦除与重写的示意图。(b)多次写入与擦除的光学显微镜检测结果。(c)在自然光下拍摄的数字显示图像。(d)至(m)数字0至9的动态刷新数字显示。(n)至(r)在不同光照条件下数字9的动态颜色。

研究团队进一步结合超快泵浦-探测光谱与高分辨透射电镜，首次清晰揭示了GST改性纳米光栅在循环相变过程中的微观结构演化机制：

□ 首次写入阶段以均匀成核为主，形成沿[001]方向生长的大尺寸晶粒（约40 nm）。

□ 在擦除-再写入循环中，成核机制转变为非均匀成核，晶粒显著细化至5–10 nm，并伴随晶向从[001]向[011]的系统性转变。

□ 擦除过程极为迅速，可在50 ps内完成非晶化，展现了超快激光调控的独特优势。

研究同时发现，循环过程中持续的晶粒细化、晶格重组与缺陷积累共同导致了结构性能的渐进式退化，这一机制性发现为今后设计高耐久性、长寿命相变器件提供了关键的理论依据和优化方向。

 

图3. 改性纳米光栅相变过程的微结构演化与擦除动力学。(a) 显示约580纳米周期性的初级改性纳米光栅截面图。(b) 图(a)黄色区域的高分辨透射电镜图像，显示出[020]晶带轴（d=3.01埃米）的(001)取向晶面与相邻[111]取向晶粒（d=3.48埃米）。(c) 擦除后重写的改性纳米光栅，周期减小至490±20纳米。白色箭头指示"多孔"基质中的气泡缺陷。(d) 高分辨透射电镜显示首次写入的40纳米晶粒在重写后碎裂为5-10纳米、具有(011)晶面的小晶粒。(e) 飞秒激光泵浦探测技术捕捉的擦除过程瞬态光学显微图像（黑色虚线轮廓表示高斯光束轮廓）。(f) 从(e)提取的空间-时间分辨相对反射率(ΔR/R)图谱。(g)改性纳米光栅相变循环过程的时空分辨示意图。

该研究不仅提出了一种基于体积效应的结构调控新范式，更通过揭示其背后的相变微观机制，为可重构光子器件、自适应光学与安全通信等领域奠定了坚实的科学与技术基础。该论文的通讯作者为北京理工大学激光微纳制造研究所韩伟娜研究员，第一作者为戴育灵博士。研究工作获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的支持。