用掺杂剂调控化学气相沉积法，让非晶硅在全可见光范围内“零”光损耗

在纳米光子学中，材料的光学特性（如折射率、消光系数和色散）对器件功能至关重要。然而，可见光波段可用的介电材料选择有限：二氧化钛（TiO₂）虽折射率较高，但制备工艺复杂；氮化硅（Si₃N₄）虽损耗低，但折射率较低，限制了器件性能。本研究提出一种“目标驱动”的硅基介电材料工程方法，通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）精确控制原子键合和掺杂，制备出两种新型材料：可见光透明的氢化非晶硅（a-Si:H）和氧掺杂非晶硅（a-SiOx:H）。

研究发现，通过调节沉积温度（Ts）和腔室压力（Pc），a-Si:H在可见光波段（400-700nm）平均折射率达3.02，最高达3.48，且光学损耗极低（在486.1nm处消光系数k=0.084），性能优于传统材料如TiO₂（折射率2.5）和氮化镓（GaN，折射率2.53）。而氧掺杂的a-SiOx:H则表现出极强的光学色散（阿贝数<10），即使在较低折射率（约2.2）下，色散能力仍远超传统介电材料。

原子结构分析表明，a-Si:H的光学特性与纳米晶相、微空隙及氢掺杂密切相关：低温（<200°C）沉积可减少结晶相，增加氢钝化，降低光吸收；而氧掺杂通过形成SiO₂基质，进一步调控折射率和色散。密度泛函理论（DFT）模拟也证实，氢原子数量影响硅网络结构，进而改变光学性能。

在应用方面，高折射率a-Si:H制成的超透镜在450nm、532nm和635nm波长下的转换效率分别达66.3%、92.0%和97.0%；利用a-SiOx:H的强色散特性设计的波长解耦分束器，在450nm和635nm波长间实现3.67倍的转向强度对比度。

这些材料不仅拓展了介电材料的设计空间，还与CMOS工艺兼容，有望推动生物集成光学、扩展现实（XR）等领域纳米光子器件的发展。