在人工智能与大数据驱动的新一代信息技术浪潮中，高速传输与低功耗处理已成为芯片发展的核心诉求。光子芯片——用光子替代电子来完成信息运算与传输——被普遍视为突破传统微电子器件功耗和速度瓶颈的关键路径。其中，声子极化激元（Phonon Polaritons，PhPs）作为一种光与晶格振动强耦合形成的准粒子，能够将光场压缩至纳米尺度，为构建超紧凑、低损耗的纳米光子器件提供了独特的物理载体。

近日，浙江钱塘高等研究院吴克辉教授团队联合松山湖材料实验室、华北电力大学，在三元钼酸盐极化激元材料研究中取得重要进展。相关成果以Interfacial epitaxy of single-crystalline Al₂(MoO₄)₃ flakes for anisotropic phonon polaritons（单晶Al₂(MoO₄)₃纳米片的界面外延生长及其各向异性声子极化激元）为题，于2026年6月25日在线发表于《自然·通讯》。

三元金属钼酸盐A₂(MoO₄)₃（A=Al、Fe、Cr 等）兼具负热膨胀、铁弹相变、弹性各向异性等丰富物理特性，晶体内部MoO₄四面体具有强光学声子模式，可与中红外光子高效耦合，是极具潜力的中红外极化激元材料。但该体系长期存在制备瓶颈：传统高温固相合成温度通常高于MoO₃升华阈值，组分难以精准匹配，产物常为多晶状态。多晶样品中的大量晶界与结构缺陷会显著干扰材料本征声子响应，无法在纳米尺度观测声子极化激元演化规律，严重限制其在光子器件领域的应用。

图1 | Al₂(MoO₄)₃晶体界面外延制备

针对这一制备难题，团队研发一套低成本、可规模化的限域界面外延新策略：将高纯钼箔夹持于两片蓝宝石晶圆之间形成“三明治”受限结构，在空气氛围中高温退火后，钼箔氧化升华生成MoO₃气相前驱体，与蓝宝石（Al2O3）发生界面反应，诱导Al₂(MoO₄)₃（简称AMO）纳米片均匀成核、定向外延生长。基于这一策略，研究团队实现了AMO在2英寸蓝宝石基底上大面积铺展。所获样品具有原子级平整表面，均方根粗糙度低至21 pm，单晶质量优异。同时该生长策略具备普适性，可拓展至Fe₂(MoO₄)₃、Cr₂(MoO₄)₃等三元钼酸盐单晶制备。

图2 | AMO晶体高分辨原子结构表征：AMO纳米片与蓝宝石(0001)衬底形成稳定外延匹配关系，晶体承受可控双轴应变，沿纳米片正交边缘分别存在+ 2.86% 拉应变、-2.87% 压应变。

图3 | AMO晶体中各向异性声子极化激元：双轴应变打破晶格面内对称性，诱导显著各向异性声子极化激元，光诱导力显微镜（PiFM）图像显示沿两个正交晶向极化激元波长各向异性比值约1.33。密度泛函微扰理论（DFPT）求解AMO 频域介电张量进一步揭示了材料面内椭圆、面外双曲的type-II型极化激元色散特征，有效弥补了六方氮化硼、三氧化钼等现有主流极化激元材料的光谱覆盖盲区。

图4 | 借助PiFM近场光学成像，研究团队直接观测到晶体边缘激发的声子极化激元演化与强光场局域聚焦特性：随着红外激发波数降低，极化激元干涉条纹从晶体边缘向外传播，逐步收缩形成环状光场，最终汇聚为纳米级中心热点。在930 cm⁻¹ 特征波段下，红外自由空间光场压缩比可达17倍，超强光场限域能力为超分辨光学器件提供基础。

该工作从材料制备、微观表征到理论模拟，完整构建了三元钼酸盐单晶的可推广合成方法体系。依托AMO独特的应变可调各向异性双曲声子极化激元特性，未来可支撑中红外超构透镜、片上集成光子器件、纳米激光器等多类前沿器件研发。本研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、中央高校基本科研业务费、杭州市钱塘教育基金会多项科研项目资助。

通讯作者：

吴克辉（khwu@tias.ac.cn）

盛少祥（sxsheng@tias.ac.cn）

宋创业（cysong@tias.ac.cn）

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-74681-x