结晶态As₂S₃可经标准激光直接刻蚀为纳米光学器件

研究人员发现，结晶态三硫化二砷（As₂S₃）仅通过普通连续波激光器，即可在纳米尺度下实现永久性塑形，As₂S₃是一种范德华半导体。该成果发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS），由XPANCEO新兴技术研究中心的科学家，与诺贝尔物理学奖得主、曼彻斯特大学及新加坡国立大学教授 Konstantin Novoselov 合作完成。这一发现无需使用洁净室光刻工艺，也无需昂贵的飞秒脉冲激光器。

该研究主要发现结晶态 As₂S₃表现出高达 Δn≈0.3 的光致折射率变化，超过钛酸钡（BaTiO₃）、铌酸锂（LiNbO₃）等经典光折变晶体的已报道数值。采用 532nm 连续波激光器可写入图案，分辨率约为每英寸 5 万个点，点间距可达 500 纳米。该材料在光照下会发生最高 5% 的物理膨胀，可直接用激光雕刻微透镜、光栅等功能性光学元件。

As₂S₃对光呈现出两种截然不同且极具实用价值的响应特性。首先，它具有极强的光折变效应：即使在低强度紫外光照射下，其折射率（表征材料对光的偏折与减速能力）也会发生显著改变。这一变化幅度高达 Δn≈0.3，超过了许多知名光折变晶体的典型水平。

研究团队使用 532nm 连续波激光在 As₂S₃薄片上 “雕刻” 出微观图案。

如此大的折射率变化意味着，光学功能可以高对比度直接写入材料内部，而无需通过传统机械或化学工艺加工。其次，该材料在光照下会发生最高 5% 的物理膨胀。这种光致膨胀效应使研究人员仅利用光线，就能在晶体表面直接雕刻微透镜、衍射光栅等三维形貌结构。

XPANCEO 新兴技术研究中心创始人兼首席技术官 Valentyn Volkov表示，“发现新型功能材料，尤其是在独特的范德华晶体家族中，是推动整个光子学领域前进的根本动力。开发高端光学器件是一项极为复杂的挑战，需要坚实的材料科学基础作为支撑。在这类系统中，材料本身决定了物理上能实现的极限。通过发掘具备这种光敏感度的天然晶体，我们实际上为新一代完全由光而非电驱动的技术，提供了核心基础材料。”

为验证该方法可实现的分辨率，团队使用标准 532nm 连续波激光器，在 As₂S₃薄片上直写出爱因斯坦的微观单色肖像，点间距为 700 纳米。他们还以更精细的 600 纳米点间距制作了类二维码图案。在进一步测试中，研究人员将分辨率提升至点间距约 500 纳米，相当于约每英寸 5 万个点。由折射率变化带来的强光学对比度，使这些写入图案在光学读取下清晰可见。

由于 As₂S₃能够以透明形式承载超精细光学图案，其形成的结构难以复制，可作为嵌入式标识，本质上是微观光学指纹，用于高价值商品与关键零部件。制备这类标识仅需标准激光器，无需额外设备。

具备强光折变效应的材料在以下场景极具价值：需要直接在材料内部写入光学功能，而非通过多步光刻工艺加工。典型应用包括：通信硬件中用于信号路由的微型光学结构、紧凑型传感器与成像系统中的衍射元件，以及嵌入证件和产品中的全息防伪特征。

As₂S₃兼具光折变与光致膨胀特性，也使其适用于 AR 眼镜和智能隐形眼镜所需的超宽视场波导研发。该材料对光的高灵敏度，使其有望成为光子电路与纳米传感器的平台，而这些应用对极精细尺度下的光传输与操控能力有核心要求。