可调节透明度的智能窗？新型光学材料助你实现梦想！

材料牛注：你是否曾经幻想过拥有根据阳光强度智能调节透光度的智能玻璃窗？就职于哥伦比亚大学的华人教授于南方领导的研究小组已经发现了一种新的相变光学材料，在不久的未来或许就可以实现这些神奇的设想。

由哥伦比亚大学工程应用物理学助理教授于南方领导的一个研究小组发现了一种新的相变光学材料。他们已经证明，由此制造的新型器件具有更大的调制幅度，可以在一个比目前更广泛的波长范围内动态地控制光波。该小组包括来自普渡大学、哈佛大学、德雷克塞尔和布鲁克海文国家实验室的研究人员。他们发现，钐镍（SmNiO3）可在前所未有的广泛的光谱范围内通过电调制连续地在透明和不透明状态之间变化。光波从蓝色（ 波长400纳米），到中红外的热辐射谱（波长在几十微米左右）均可实现这种连续变化。这项研究是SmNiO3光学特性的首次研究，也是首次在光子器件中应用。这篇文章已于8月30日在Advanced Materials上发表。

“对光学调制的幅度和波长范围而言，SmNiO3的性能是破纪录的。”于南方说，“几乎没有任何其他材料可以提供这种用于光电器件的高度理想的性质。在透明和不透明状态之间的可逆调谐是在室温下由电子掺杂实现的。这种转变可能非常快，这为一系列令人兴奋的应用提供了可能。比如‘智能窗’对太阳光的完全动态的控制，热辐射涂料红外隐身和辐射温度控制，光调制器和光存储设备等等。”

一些潜在的新功能包括利用SmNiO3控制热辐射的特性，制作红外伪装和体温调节的“智能”涂料。这些涂层可以使人员和车辆，例如，在夜间呈现出比实际冷得多的假象，以此来躲避热摄像头的探测。该涂层可以通过调整其亮暗侧面的相对热辐射来降低卫星上的巨大昼夜温差，并由此延长卫星的寿命。因为这种相变材料可以高速地在透明和不透明状态之间切换，因此可在调制器中用于自由空间光通信、光雷达和在光存储装置中。

研究人员长期以来一直试图建立一个可以动态地控制光的有源光学器件。其中包括波音787梦想飞机的“智能窗”，它能够控制（但不是完全）太阳光的透射；也包括可擦写DVD光盘，在其上我们可以用激光束写入和擦除数据；以及高数据速率，长距离光纤通信系统，其中信息就是由光学调制器“写入”光束的。然而，有源光器件在日常生活中并不常见，因为要找到先进的可动态调光的材料太难了，设计制作可以放大这种可调材料性能的设备也太难了。

当哈佛大学材料科学副教授Shriram Ramanathan在室温下发现SmNiO3巨大可调电阻系数时，于南方注意到了。两人在2013年相识于IEEE光子会议，并决定合作。于南方和他的学生同Ramanathan一起工作，他们都是这篇文章的合著者。于南方和他的学生进行了这种相变材料的初始光学研究，他们集成材料到纳米结构的光学界面上，创造了有源光电设备的原型，包括用于控制光的光学调制器，以及控制热辐射效率的可变发射率涂层。

“SmNiO3确实是一个不寻常的材料，”李昭一（音译）说，他是该论文的第一作者，也是于南方的博士生，“在电学上它更绝缘，光学上更加透明，因为它掺杂了更多的电子。这于常见的材料正好相反，如半导体。”

事实证明，掺杂电子与材料中原有电子两两“锁”在了一起，这种量子力学现象称为 “强电子相关”。而这种效应使得这些电子无法进行流动形成电流也无法吸收光线。因此电子掺杂后，原本不透明的SmNiO3薄膜就可以让70％以上的可见光和红外辐射传输通过。

“我们的一个最大的挑战，”李昭一（音译）补充说，“是将SmNiO3融入光学器件。为了应对这一挑战，我们开发了特殊的纳米制造技术来制作SmNiO3薄膜结构图案。此外，我们精心选择了器件结构和材料以确保该设备在实验过程中可以维持所需要的高温高压，用以激活SmNiO3。”

于南方和他的合作者下一步打算进行系统的研究以了解SmNiO3相变的基础科学，并探讨其下一个技术应用方向。该团队将调查相变的固有速度，相变周期以及材料损坏之前可承受的相变周期数。他们也将努力解决技术问题，包括合成该材料的超薄光滑膜，发展纳米制造技术以将这种材料融入新的光学装置中。

“这项工作让我的研究实验室向我们的主要目标又迈出了关键的一步。我们最终希望制成一个光接口的功能光学器件，”于南方说， “我们设想通过利用光与二维结构材料之间的强相互作用制作‘平面光学元件’来控制光，以此取代笨重的光学器件和部件。这种相变材料的发现和它在平面设备构建中的成功融入是一个重大的飞跃。它制作出的平面光学器件不仅可以增强我们现在使用的设备的性能，而且会具有全新的功能。”

于南方的团队包括Ramanathan，他的哈佛博士生周游（音译），和他普渡大学的博士后研究员张真（音译）；德雷克塞尔大学材料科学教授Christopher Li，博士生齐好（音译），研究科学家潘奇伟（音译）；布鲁克海文国家实验室科学家的工作人员陆铭（音译）和Aaron Stein；在哥伦比亚大学工程学应用物理与应用数学系材料科学与工程学助理教授袁阳（音译），也这项研究的进展过程中进行了磋商。

其中，张真（音译）合成了这种相变材料，并做了一些相变实验（这项工作在哈佛开始，在Ramanathan转到普渡大学后继续进行）；潘奇伟（音译）用新型固体聚合物电解质实现了SmNiO3到固态器件中的整合；陆铭（音译）和Aaron Stein帮助实现了器件的纳米加工。

原文链接：New optical material offers unprecedented control of light and thermal radiation

文献链接：Correlated Perovskites as a New Platform for Super-Broadband-Tunable Photonics

本文由编辑部张莹提供素材，时冰遥编译，点我加入材料人编辑部。