Nat. Commun.: 基于相变材料的可调谐超表面

图1 (I)装配在陶瓷芯片上的样品 (II)由微加热器和相变超表面组成的超构光子开关伪彩SEM图像 (III)超原子放大图示 (IV)由微加热器和相变超表面组成的超构光子开关的伪彩SEM图像（50微米）

光学透镜技术的发展往往标志着科技的进步。眼镜、望远镜、相机和显微镜技术的发明，不仅使人们得以借助新工具看世界，更从深层意义上扩展了人们的视野；透镜还是半导体行业中制造纳米电子产品的基础组件。

近些年来，透镜技术最重要的发展之一是光子超表面。超表面是一种具有特殊光学性质的人造纳米材料。佐治亚理工学院的研究人员们一直是超表面领域的领军力量，在Nature Communications最近发表的一项研究中，他们首次实现了电调谐光子超表面平台。

“使用超表面可以制造出超薄光学系统，如果能发明出易控、易调节的超表面光学系统，那么这种系统将很快就能应用到手机摄像头等电子成像系统中。”佐治亚理工学院电子与计算机工程学院教授Ali Adibi说。

此次发明的可调平台标志着微型可重构超表面技术的关键进展。研究结果显示其反射特性的变化高达11倍、可调谐光谱范围广、调谐速度大大加快。

对超表面进行加热

超表面是一种纳米光子材料，材料中设计有大量微型结构、从而以一种可控的方式调整不同频率光的传输及反射。

Adibi说：“在高倍数的显微镜下观察时，超表面就如同许多周期性排列的柱子；可以将其想象成把许多差不多的乐高积木块拼接在一起、拼成一个大的乐高图形。”

自问世以来，超表面已被用于超薄光学元件中，用于改变光线传输方式；而其中超透镜是最广泛的应用。尽管取得了巨大的研究进展，但这些超表面大多数是被动的，即其性能在制造后无法改变（或调谐）。此项研究工作由Adibi及其在读博士生Sajjad Abdollahramezani带领的团队实现，他们将电热施加到一种特殊的纳米光子材料上，创造出一个能轻松制造出可高度光学调谐可重构超表面的平台。

图2 佐治亚理工学院教授Ali Adibi和在读博士研究生Sajjad Abdollahramezani在Ali教授的光电子研究小组实验室中进行可调谐超表面表征

相变材料

许多种材料都可以用于制造超表面，比如金属、氧化物和半导体等。然而Abdollahramezani和Adibi的研究重点放在了相变材料上，因为这种材料能以最小的特征尺寸形成最有效的结构。相变材料是一种在加热和冷却过程中吸收和释放热量的物质，其被称为“相变”材料的原因在于它们会在热循环过程中从一种结晶态转变为另一种。最常见的例子是水从液体变成固体、气体。

佐治亚理工学院团队所进行的实验远比加热/冷冻水复杂得多。由于局部加热会改变相变材料的光学性质，研究人员使用了相变材料合金Ge2Sb2Te5 (GST)——一种锗、锑、碲的化合物。

通过将光学设计与下方的微型电微加热器结合，该团队能改变GST的晶体相，从而实现了超表面装置的主动调谐。所制造的超表面由佐治亚理工学院电子与纳米技术研究所设计，并在表征实验室中进行了测试：通过使用不同频率激光照射可重构超表面、并实时测量反射光的特性。

可调谐超表面未来应用

由于设备小型化和系统集成已是大势所趋，且超表面可选择性反射不同频率光线，因此超表面正在迅速发展、逐渐取代以往笨重的光学组件。下一步，预计超表面将会直接应用于自动驾驶汽车的激光雷达系统、成像技术、光谱和传感等技术中。

Abdollahramezani和Adibi认为，如果对这一技术进行进一步改进，未来有望应用到计算、增强现实、人工智能光子芯片以及生物危害检测等更更复杂的应用中。

Adibi表示：“随着这一平台的不断发展，可重构超表面将有望应用到各行各业中去。借助超表面，甚至有希望进一步缩小内窥镜体积、将内窥镜送入人体更深处成像，并协助医学传感器检测血液中的不同生物标志物。”

文章见：Sajjad Abdollahramezani et al, Electrically driven reprogrammable phase-change metasurface reaching 80% efficiency, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-29374-6。