借助CrSBr等二维材料实现“天然减反”新型减反射膜

近日,苏州城市学院一支由专业教师与本科生、研究生组成的跨学科科研团队,在二维材料与光子学交叉领域取得重要突破。该团队成功利用具有双曲激子响应特性的二维磁性材料CrSBr(溴化铬硫),设计并制备出一种具备“天然减反射”功能的新型减反射膜。这一成果不仅为高性能光学器件提供了全新解决方案,也标志着我国在二维材料基础研究与应用转化方面迈出了坚实一步。

减反射膜广泛应用于太阳能电池、相机镜头、激光器、显示屏幕等光学系统中,其核心目标是最大限度减少光在界面处的反射损失,提升透射效率。传统减反射膜多依赖多层介质堆叠或纳米结构设计,工艺复杂、成本高昂,且往往仅在特定波长范围内有效,难以兼顾宽光谱、宽角度与环境稳定性。在社会对新型减反膜的急切需求下,学生基于学校的江苏省生物光子科技重点实验室成立项目小组,立志优化传统减反膜。

而苏州城市学院团队另辟蹊径,聚焦于近年来备受关注的二维磁性材料CrSBr。该材料不仅具有原子级厚度和优异的机械柔性,更关键的是其在可见光至近红外波段展现出独特的“双曲激子响应”——即材料内部激子与光场强烈耦合,形成具有双曲色散关系的极化激元。这种物理特性使得CrSBr在特定方向上表现出类金属的高导电性,而在垂直方向则呈现介电行为,从而在无需人工微纳结构的情况下,自然实现对入射光的有效阻抗匹配。

“我们发现,当将单层或少层CrSBr集成到玻璃或硅基底表面时,其本征光学响应就能显著抑制反射,尤其在500–800纳米波段,平均反射率可降至1%以下。”项目负责人介绍道,“这相当于材料‘天生’就具备减反能力,我们称之为‘天然减反’。”

值得一提的是,该研究并非仅由资深教授主导,而是充分体现了苏州城市学院“以研促教、科教融合”的办学理念。团队成员包括5名本科生、2名硕士研究生及3位专业教师,他们在材料制备、光学表征、理论模拟等环节分工协作,全程参与从文献调研到论文撰写的完整科研链条。

团队通过机械剥离法获得高质量CrSBr薄片,并利用转移技术将其精准覆盖于标准光学基底上。随后,借助椭偏仪、傅里叶变换红外光谱仪及角分辨反射测量系统,系统验证了其减反射性能。同时,团队通过第一性原理与电磁仿真,并取得国家标准检测报告,进一步揭示了双曲激子模式与减反效应之间的物理关联。

该“天然减反”薄膜不仅性能优异,还具备厚度超薄(<10纳米)、重量轻、柔性强、制备工艺简化等优势,有望在多个领域实现应用突破。例如,在光伏产业中,将其集成于太阳能电池表面,可显著提升光捕获效率,降低能量损耗;在AR/VR显示设备中,可减少眩光、增强图像清晰度;在高功率激光系统中,则能避免因反射引发的热损伤风险。

此外,CrSBr作为磁性二维材料,其光学响应还可通过外加磁场或电场进行动态调控,为未来开发智能可调谐光学器件奠定基础。“这不仅是材料的胜利,更是新物理机制驱动技术创新的典范。”团队核心成员说。

目前,该研究成果,项目论文已投稿至国际顶级期刊,并申请国家发明专利两项。苏州城市学院正积极与本地光电企业对接,推动技术中试与产业化落地。

苏州城市学院自转设以来,始终聚焦区域产业发展需求,强化基础研究与应用导向并重。此次在二维材料光子学领域的突破,是学校实施“青年英才计划”和“学科交叉创新平台”建设的重要成果之一。

鼓励年轻教师带领学生做‘顶天立地’的研究——既要瞄准国际前沿,又要服务国家战略和地方经济。随着全球对高效、智能、绿色光学技术的需求日益增长,苏州城市学院科研团队的这项“天然减反”技术,无疑为下一代光学薄膜提供了极具潜力的新路径。未来,团队将继续探索其他具有双曲响应的二维材料体系,拓展其在量子光学、非线性光子学等前沿方向的应用,为中国在全球新材料竞争中贡献更多“苏州智慧”。