GIAI 激埃特光电 · 光学前沿

硅片明明又硬又脆，科学家却把它做成了能拉伸的“弹簧”？

文 / 小编阿牛 · GIAI 激埃特光电

拿一片普通单晶硅片试着弯折，如果施加的应力超过它能承受的范围，硅片就可能断裂。硅能被加工得非常精密，但直接承受大幅拉伸并不是它的长处。这是做过半导体或红外光学的人都熟悉的材料特性。

可在2026年10月，一组日本研究人员展示了一种既能弯曲、又能被拉长的单晶硅微结构。更出人意料的是，把它拉长之后，太赫兹波穿过它时“感受”到的有效折射率也跟着变了。

01｜硅没有变软，变的是形状

先说清楚一件事：这块硅片并没有变成橡胶。单晶硅依然是硬而脆的材料，研究团队改变的是它的几何结构，而不是让硅的晶体本身变软。

剪纸是个不错的入口。一张纸沿长度方向直接拉，几乎拉不长；但如果剪出连续的螺旋切缝，就能通过结构弯曲和展开，把整体拉得更长。每一小段纸本身没有像橡胶那样明显伸长，多出来的长度主要来自形状变化。

这项研究用的是类似的思路，只是尺度小得多。大阪产业技术研究所（ORIST）的山根秀胜等研究人员，与东北大学电气通信研究所的冨士田诚之教授（兼任大阪大学招聘教授）合作，选用一块厚约200微米的高电阻率单晶硅片，在中央区域加工出周期约200微米的平面螺旋弹簧阵列。硅臂和相邻空隙的设计宽度都只有约10微米。

加工采用MEMS微细加工技术，也就是制造微型传感器、微镜等器件常用的半导体工艺路线：先用光刻在硅片表面形成图形，再用深反应离子刻蚀将图形刻穿硅片。最后留下的是一张由硅和空气组成的自支撑网络，不需要聚合物或金属支撑衬底。这类依靠内部几何而不是材料本征柔软性来设计整体机械性能的结构，属于机械超材料的范畴。

拉伸时，主要发生的是细长硅臂的弯曲和展开，而不是硅晶格本身被拉长。研究团队还展示了样品弯曲的状态，用来说明它的机械柔性；后面的太赫兹光学测量，则是在单轴拉伸状态下进行的。

02｜在太赫兹波眼里，它是一种“混合材料”

如果只是让硅能弯能拉，这更像一项机械设计。研究团队真正关注的是另一件事：能不能用这种变形去调控太赫兹波？

太赫兹波通常指频率约0.1到10 THz的电磁波，位于微波和红外光之间，在无损检测、材料分析、成像以及未来高速无线通信等领域具有应用潜力。高电阻率单晶硅在适当的太赫兹频段吸收较低、折射率较高，又能够通过成熟的微加工工艺制成导波路、透镜和偏振器件，因此是太赫兹器件的研究材料之一。

问题在于，普通单晶硅是刚性材料，器件加工完成后，形状往往难以改变。螺旋弹簧阵列则多承担了一个角色：它不仅可以变形，还能充当太赫兹波经过的光学介质。

这组结构的周期约200微米。研究重点分析的0.6 THz以下频段，自由空间波长大于约500微米。在论文采用的频段与测量条件下，微结构可以通过有效介质近似来理解：电磁波的整体响应，可以视作由硅和空气共同组成的一种“等效材料”，其折射率既受材料影响，也取决于硅与空气的填充比例和排列方式。

有点像远看一张细密纱网，你看到的是整体效果，而不是一根根细线。不过真正决定有效折射率的，仍是电磁场在硅和空气中的分布，而不是肉眼的视觉效果。

拉伸后，微型弹簧之间的空隙扩大，空气在结构中所占的比例增加。空气的折射率远低于硅，因此整体有效折射率下降；结构沿不同方向的排列变化也变得不一样，产生了更明显的光学各向异性。

03｜拉长12.6%，两个偏振方向给出了不同答案

研究团队使用太赫兹时域光谱技术，测量了样品在自然长度、伸长7.3%以及伸长12.6%三种状态下的透射响应。这种方法记录极短的太赫兹脉冲通过样品前后的时间波形，再解析不同频率下的透射、相位和有效折射率。

结果显示，在0.6 THz以下的低频范围内，结构保持较高的透射，有效折射率随伸长量增加而持续下降。

伸长12.6%时，两个偏振方向的表现并不相同。偏振可以简单理解为电磁波电场振动的方向：当偏振方向与拉伸方向垂直时，有效折射率下降约6%，这一变化比例基本不随频率改变；当偏振方向与拉伸方向平行时，下降幅度具有更明显的频率依赖，最大约为8%。

同一种结构对两种相互垂直的偏振表现出不同的有效折射率，就是双折射。过去，获得特定双折射通常依靠选用合适的晶体或制作固定微结构；这项研究进一步说明，对这种硅与空气构成的结构，机械拉伸本身也可以成为调节双折射的一种手段。有效折射率发生变化，太赫兹波穿过结构后的相位延迟也会变化。

需要注意的是，12.6%是论文展示的测试伸长状态，并不代表这种结构能像橡皮筋一样随意拉扯。论文讨论了机械应力的模拟分析，但长期反复拉伸的疲劳寿命、产品级可靠性等仍需要进一步验证。

04｜从“固定形状”到“可调形状”，还有多远

在研究团队看来，这项工作的意义是：原本主要作为刚性器件材料的单晶硅，通过几何设计获得了整体可变形能力，而且变形能够直接用于调整太赫兹光学响应。

研究人员设想，如果进一步优化结构，并与MEMS执行器集成，未来有望发展出可弯曲太赫兹导波路、机械可调的相位与偏振控制元件、滤波器、光束扫描元件以及焦距可调的透镜。

这些目前仍属于后续研究方向。要从实验结构走向实际设备，还需要解决驱动方式、机械疲劳、加工一致性、系统封装与长期可靠性等问题。

还有一个容易被忽略的限制：本次有效介质调节主要在0.6 THz以下的太赫兹频段得到验证。不能把这组200微米周期的结构，原封不动搬到红外或可见光波段。论文也讨论了向更短波长扩展的原理可能性，但需要缩小结构周期和厚度，并重新设计弹簧拓扑及加工工艺；这不是已经完成的红外器件验证。

05｜材料之外，结构同样在决定光学性能

回头看，这项研究最值得回味的地方，不在于“硅变软了”，而在于它把一个工程常识推得更远：决定光学元件表现的，从来不只是材料本身。

同样是硅，做成实心窗口片、刻成亚波长结构，或者加工成可伸缩的螺旋网络，对不同频段电磁波的作用都可能明显不同。几何尺寸、排列方式、工作波段和偏振条件，都会参与决定最后的光学表现。

在红外光学项目中，也需要把材料本身的透过波段与折射率、元件的面形与尺寸、镀膜要求以及使用环境放在一起评估。激埃特可根据客户的图纸、光谱指标、材料、尺寸和检测要求，对相关红外光学元件开展项目级制造可行性评估。这并不意味着本次研究中的可伸缩太赫兹微结构已经成为激埃特的现有产品。

这项研究提醒我们：材料确定之后，结构设计仍然可能打开一条新的光学调控路线。