用计算机找到并实验证实新型高效导光纳米材料

高折射率介电材料能通过高效操控光波（如在波导、超表面和纳米谐振器中）增强多种光学技术。目前常用的材料如硅和III-V族半导体，因带隙限制，仅能在红外或红光波段低损耗工作；而要在可见光波段使用，需更大带隙以减少吸收，但根据莫斯规则，这通常会导致折射率降低，因此可见光波段缺乏高性能高折射率材料。范德华材料（层间为弱范德华力、面内为强共价键）因具有激子响应和强面内极化率，有望突破这一限制，即使带隙较大也可能拥有高面内折射率。本研究利用基于密度泛函理论（DFT）的高通量计算，对1693种单质和二元材料进行筛选，经结构优化和能带计算后，得到338种半导体材料，重点研究其中131种各向异性材料（多为范德华材料）。计算筛选发现多种“超莫斯材料”（即折射率超过莫斯规则预测），其中二硫化铪（HfS₂）表现突出：在可见光范围内，其面内折射率超过3，且消光系数（吸收）极低。通过椭偏仪测量，实验结果与BSE+理论计算（考虑激子效应的高精度光学性质计算）高度吻合，验证了HfS₂的高折射率和低损耗特性。但HfS₂存在空气敏感性问题：在常规实验室环境中，薄片会发生化学变化（氧化或水解），导致厚度增加（最薄样品171小时内增长约56%）、反射光谱蓝移、表面出现鼓包。为解决此问题，研究团队发现：将HfS₂存储在氩气手套箱或低湿度干燥器中，或用六方氮化硼（hBN）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）封装，均可有效抑制其化学变化，保持光学性能稳定。进一步，研究团队开发了HfS₂纳米盘的制备工艺：通过机械剥离获得100纳米厚的HfS₂薄片，结合电子束光刻和氩离子刻蚀（因SF₆刻蚀速率极低，采用物理刻蚀），制备出直径100-350纳米的纳米盘。暗场散射光谱显示，这些纳米盘在可见光波段呈现明显的米氏共振峰（随直径增大红移），与电磁模拟结果一致，证实HfS₂纳米结构可有效支持光共振。综上，本研究通过计算筛选发现HfS₂是一种性能优异的可见光光子学材料，其高折射率和低损耗特性，结合有效的空气敏感性抑制方法，为新型光电器件开发奠定基础。同时，该高通量计算方法也为发掘更多高折射率范德华材料提供了参考。