一种可扩展的纳米级全介质超构表面制造技术：实现从近红外至可见光波段共振的精确调控（三）

光学性能表征

除超表面的几何特性外，光学数据可作为间接表征手段进一步揭示结构特征。图5C展示了S=0.9样品的代表性吸收共振峰，该数据通过透射模式（石英衬底厚度525 μm）采集：采用钨灯光源发射的线偏振宽带光照射样品，通过物镜与光谱仪收集散射及透射光信号。物镜可通过压电平台在样品上方精确定位，实现微区光谱测量。

由于光斑尺寸极小（估计<5 μm），光谱呈现显著噪声，但同时确保参与吸收的超表面单元数量有限。观察空气中（介电常数n=1.00）超表面的红色光谱曲线，共振峰半高全宽约为6-8 nm，消光因子达30%-40%，具体数值取决于基线选择。

将共振峰位置随缩放因子S的变化绘制成图，呈现线性关系（图5A红线），最大线性偏差为±2.5 nm（红色虚线所示；每个数据点代表整个阵列的三次测量平均值）。

当将超表面浸入200 μm厚液腔（图5B）时，分别填充去离子水（n=1.33；电导率0.059 μS·cm?1；绿色曲线）和异丙醇（n=1.38；蓝色曲线），吸收共振峰发生Δλ位移（如图5C所示），半高全宽仍保持在6-8 nm范围内，与空气中测量值相近。

所有缩放因子样品的位移量保持一致：空气-异丙醇位移Δλ=80.5-80.7 nm，空气-去离子水位移Δλ=67.2-67.4 nm。浸入溶剂后超表面的线性拟合偏差略有增大至±9 nm（蓝、绿线），主要源于扫描平台移动时超表面上方柔性聚二甲基硅氧烷-玻璃液腔的不稳定性。

图5. 超表面光学表征：A) 共振峰位置随缩放因子S（变化范围0.85至1.20）及介电环境（空气、去离子水、异丙醇）的缩放特性。结果显示其呈预期线性关系。B) 配备介质交换进出口的液腔结构及其分解示意图。C) 以S=0.9样品为例，不同环境介质（空气：红色数据；去离子水：绿色数据；异丙醇：蓝色数据）下的光谱吸收数据。D) 沿垂直/水平（蓝色数据）与对角线（红色数据）线扫描方向测量的阵列间吸收共振峰位置均匀性（上图）及半高全宽均匀性（下图）。

用于量化评估环境介电变化光学响应的品质因数由体灵敏度与半高全宽的比值定义。体灵敏度计算公式为S_bulk = Δλ/Δn，其中Δλ为共振位移量，Δn为介电常数变化量。空气-去离子水体系S_bulk = 67.3 nm/(1.33-1.00) = 204 nm/RIU，空气-异丙醇体系S_bulk = 212 nm/RIU。

取空气-水平均半高全宽6.5 nm、空气-异丙醇平均半高全宽6.7 nm，计算得品质因数分别为31.4和31.6。与SEM计量结果一致，阵列间均匀性的光学评估显示（图5D），整个阵列范围内光学吸收共振峰位置波动极小（±1.0 nm），半高全宽波动仅±0.3 nm。

结论

综上所述，我们展示了一种在透明衬底上制备高精度（<10 nm）超表面的新型工艺路线，成功实现了共振行为从近红外到可见光波段的几何缩放。这些器件结合可规模化、兼容批量生产的制造工艺，为充分利用硅基超表面独特的光学特性（如窄带灵敏共振）在各类应用中的潜力提供了重要契机。

通过EBL与NIL复合工艺，我们能够以成本效益极佳的方式制备样品——其价格较纯EBL加工低约2-3个数量级，且在纳米尺度上完全可与非规模化制备技术相媲美。所制备椭圆超表面具有6-8 nm半高全宽的窄带共振峰，这种可调谐的固有光谱特征使其在光学滤波结构或传感基底领域极具吸引力。

就传感应用而言，结合窄带光源，该技术有望取代体积庞大且昂贵的近红外及可见光探测器，转而采用适用于移动设备的低成本CMOS图像传感器。

本研究所提出的新型工艺路线具有普适性，可拓展至其他几何构型、不同材料叠层、其他工作原理以及光学与超表面之外的更广泛应用场景。该工艺既可采用包括EBL在内的任何纳米图形化方法制备母模，又能通过步进重复技术实现大面积规模化生产。