光子學材料的合理設計與加工對于光子學技術的發展至關重要。結構化的光學材料可以作為光學微腔用來限域光子，在光子學和光電子學中發揮了重要作用，已廣泛應用于微激光器、光學開關/濾波器、化學/生物傳感器等領域。微腔與基底的光學隔離，即實現自支撐的微腔，對于減少微腔中的光泄露、提高微腔性能至關重要。目前的自支撐型光學微腔通常是通過專門的微加工技術獲得的，包括沉積異質雙層膜（上光層子學層和下層犧牲層），圖案化光子學層，以及選擇性地去除犧牲層。這種復雜的微加工過程限制了自支撐光學微腔的材料選擇和設計靈活性。此外，在多個加工步驟中，特別是在選擇性地蝕刻微腔下面的犧牲層時，光學微腔的污染幾乎是不可避免的，這會降低微腔性能。現在迫切需要一種便捷的、通用的高品質自支撐光學微腔的構筑策略。
近日，中國科學院化學研究所的趙永生團隊開發了一種差異化聚合物斷鏈策略實現自支撐微腔的一步加工。首先通過旋涂構筑屬于同一類別但具有不同分子質量（Mr）的兩種聚合物薄膜（上層高Mr膜，下層低Mr膜）。在電子束的作用下，不同Mr的聚合物鏈在電子束的作用下發生差異性的裂解。入射電子束在作用到聚合物和襯底時會在功能聚合物雙層中分別產生扇形前散射和半球形背散射電子。入射電子和前散射電子能量較高，可以使高Mr聚合物和低Mr聚合物都發生完全的鏈斷；而背散射電子能量較低，僅可以使低Mr的聚合物發生完全的鏈斷。因此，上下兩層聚合物薄膜的圖案分別由正向電子和反向電子的空間能量分布決定。由于背散射電子分布的范圍比入射電子范圍大，因此相比于高Mr上層膜更多的下層低Mr膜在顯影過程中被去除，最終形成具有底切結構微盤，即自支撐型微腔（圖1）。
圖1 支撐型光學微腔的設計與構筑：(a) 支柱支撐的微盤制備流程圖；(b, c) 大面積規整排列的微盤陣列；(d) 支撐型微盤腔陣列的側視圖
支撐結構的可以有效減少微腔中的光向基底的耗散，因此該聚合物微盤腔表現出了高達1.92×105的品質因子（Q）。通過在懸浮的微盤諧振腔中摻入有機染料，實現了低閾值激光（圖2）。該構筑策略在材料成分和器件結構等方面都具有很高的設計靈活性，可以實現多功能的自支撐型微激光器陣列。借助于優異的材料相容性，他們通過將不同發光顏色的激光染料摻雜到自支撐微盤中得到了全光譜覆蓋激光陣列，該全色激光陣列可以用做激光顯示。此外，基于自支撐微盤腔體的結構設計靈活性，他們設計了一個柔性的具有多重級聯加密功能的光子安全標簽。值得一提的是，他們所報道的支撐型微腔具有極高的基底兼容性，可以制備在多種基底表面上。相信，基于他們報道的自支撐微腔，除了本項工作中展示的應用還有更多更有趣的應用值得進一步開發。
圖2 基于染料摻雜自支撐型微腔的低閾值激光：(a) 所制備的微盤陣列的熒光顯微照片；(b) 支撐型微盤的激光激發示意圖；(c) 不同泵浦功率下單個微盤的出射光譜；(d) 光譜強度對泵浦功率變化曲線；(e) 不同泵浦強度下染料摻雜微盤的發光衰減曲線。
這項成果以“Differential polymer chain scission enables free-standing microcavity laser arrays”為題發表在Advanced Materials上，文章第一作者是董海云博士和張春煥博士，通訊作者為趙永生研究員。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202107611
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