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  光子學(xué)材料的合理設(shè)計(jì)與加工對于光子學(xué)技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。結(jié)構(gòu)化的光學(xué)材料可以作為光學(xué)微腔用來限域光子，在光子學(xué)和光電子學(xué)中發(fā)揮了重要作用，已廣泛應(yīng)用于微激光器、光學(xué)開關(guān)/濾波器、化學(xué)/生物傳感器等領(lǐng)域。微腔與基底的光學(xué)隔離，即實(shí)現(xiàn)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(guān)重要。目前的自支撐型光學(xué)微腔通常是通過專門的微加工技術(shù)獲得的，包括沉積異質(zhì)雙層膜（上光層子學(xué)層和下層犧牲層），圖案化光子學(xué)層，以及選擇性地去除犧牲層。這種復(fù)雜的微加工過程限制了自支撐光學(xué)微腔的材料選擇和設(shè)計(jì)靈活性。此外，在多個(gè)加工步驟中，特別是在選擇性地蝕刻微腔下面的犧牲層時(shí)，光學(xué)微腔的污染幾乎是不可避免的，這會降低微腔性能。現(xiàn)在迫切需要一種便捷的、通用的高品質(zhì)自支撐光學(xué)微腔的構(gòu)筑策略。

  近日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所的趙永生團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種差異化聚合物斷鏈策略實(shí)現(xiàn)自支撐微腔的一步加工。首先通過旋涂構(gòu)筑屬于同一類別但具有不同分子質(zhì)量（M_r）的兩種聚合物薄膜（上層高M_r膜，下層低M_r膜）。在電子束的作用下，不同M_r的聚合物鏈在電子束的作用下發(fā)生差異性的裂解。入射電子束在作用到聚合物和襯底時(shí)會在功能聚合物雙層中分別產(chǎn)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M_r聚合物和低M_r聚合物都發(fā)生完全的鏈斷；而背散射電子能量較低，僅可以使低M_r的聚合物發(fā)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M_r上層膜更多的下層低M_r膜在顯影過程中被去除，最終形成具有底切結(jié)構(gòu)微盤，即自支撐型微腔（圖1）。

圖1 支撐型光學(xué)微腔的設(shè)計(jì)與構(gòu)筑：(a) 支柱支撐的微盤制備流程圖；(b, c) 大面積規(guī)整排列的微盤陣列；(d) 支撐型微盤腔陣列的側(cè)視圖

  支撐結(jié)構(gòu)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(xiàn)出了高達(dá)1.92×10⁵的品質(zhì)因子（Q）。通過在懸浮的微盤諧振腔中摻入有機(jī)染料，實(shí)現(xiàn)了低閾值激光（圖2）。該構(gòu)筑策略在材料成分和器件結(jié)構(gòu)等方面都具有很高的設(shè)計(jì)靈活性，可以實(shí)現(xiàn)多功能的自支撐型微激光器陣列。借助于優(yōu)異的材料相容性，他們通過將不同發(fā)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活性，他們設(shè)計(jì)了一個(gè)柔性的具有多重級聯(lián)加密功能的光子安全標(biāo)簽。值得一提的是，他們所報(bào)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(bào)道的自支撐微腔，除了本項(xiàng)工作中展示的應(yīng)用還有更多更有趣的應(yīng)用值得進(jìn)一步開發(fā)。

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(fā)示意圖；(c) 不同泵浦功率下單個(gè)微盤的出射光譜；(d) 光譜強(qiáng)度對泵浦功率變化曲線；(e) 不同泵浦強(qiáng)度下染料摻雜微盤的發(fā)光衰減曲線。

  這項(xiàng)成果以“Differential polymer chain scission enables free-standing microcavity laser arrays”為題發(fā)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