近年來，有源超構(gòu)表面（Metasurfaces）作為一種緊湊、輕便、高效的調(diào)控平臺出現(xiàn)，已成為電磁場和光學(xué)響應(yīng)動態(tài)調(diào)控的關(guān)鍵技術(shù)。然而，由于材料的稀缺性和設(shè)計復(fù)雜性，有源超構(gòu)表面后道制造（post-fabrication）可調(diào)性相關(guān)的復(fù)雜性嚴重限制了其廣泛應(yīng)用，尤其是在中紅外波段。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，由美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）、麻省理工學(xué)院（MIT）和南加利福尼亞大學(xué)（University of Southern California）組成的研究團隊通過實驗展示了一種集成石墨烯場效應(yīng)晶體管（Gr-FET）的電可編程等離子體超構(gòu)表面實現(xiàn)的相干中紅外輻射的高動態(tài)、像素化調(diào)控。石墨烯的超寬帶紅外透明性使其能夠?qū)Φ入x子體超構(gòu)原子（meta-atoms）進行定制化調(diào)控，從而在寬波段的波長、方向和偏振范圍內(nèi)實現(xiàn)相干中紅外輻射。
Gr-FET產(chǎn)生的空間溫度調(diào)控與金納米天線局域表面等離子體（LSP）激元和準(zhǔn)連續(xù)域束縛態(tài)（QBIC）對輻射率的控制形成有效協(xié)同作用。這種集成溫度-輻射率調(diào)控的超構(gòu)表面被系統(tǒng)地擴展成低串?dāng)_的像素化二維（2D）陣列，為密集排列的獨立可尋址像素的可擴展二維電氣布線提供了先進方法。這項研究成果以“Electrically programmable pixelated coherent mid-infrared thermal emission”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。
這項研究設(shè)計并制造了由Gr-FET電驅(qū)動的像素化有源超構(gòu)表面，如圖1a所示。每個像素都由金（Au）等離子體納米天線陣列組成，這些納米天線既可以直接與單層石墨烯通道相連，也可以通過氧化鋁（Al?O?）介電層隔開。石墨烯層經(jīng)過圖案化并被制造成Gr-FET，其源極和漏極觸點采用Au制成。該Gr-FET結(jié)構(gòu)提供了可調(diào)控且可編程的焦耳加熱通道，用于調(diào)節(jié)超構(gòu)表面的空間溫度分布。此外，Gr-FET的源極/漏極和底柵電極經(jīng)過進一步圖案化，能夠以可尋址像素化模式進行空間溫度調(diào)控。
圖1 像素化電可編程石墨烯集成等離子體超構(gòu)表面的工作機制
隨后，通過將像素化等離子體超構(gòu)表面與Gr-FET集成，研究人員提出了一種集成的輻射率-溫度方案，以主動調(diào)控超構(gòu)表面在中紅外波段的相干熱輻射。具體來說，Gr-FET可將加熱位置精確轉(zhuǎn)移到具有指定輻射率的目標(biāo)像素超構(gòu)表面。除了圖1c中基于尺寸的諧振波長調(diào)控外，借助石墨烯紅外透明性可以促進定制超構(gòu)原子的輻射率調(diào)控，這可以通過調(diào)諧Au納米棒陣列的極化來進一步證明，相關(guān)結(jié)果如圖2所示。
圖2 基于LSP的單像素超構(gòu)表面的模擬與實驗
等離子體準(zhǔn)連續(xù)域束縛態(tài)（P-QBIC）模式源于由兩個反向傳播的瑞利異常或面內(nèi)衍射階產(chǎn)生的理想連續(xù)域束縛態(tài)（BIC）模式，基于兩個橢圓散射體，然后通過小傾角擾動實現(xiàn)在法向的遠場輻射。增強相干性的主要因素包括：（1）模式BIC特性抑制了輻射通道，大大提高了輻射品質(zhì)因子，從而改善了時間相干性；（2）模式非局域特性縮小面內(nèi)波矢分布，從而提高了空間相干性。基于P-QBIC的單像素超構(gòu)表面的模擬與實驗如圖3所示。
圖3 基于P-QBIC的單像素超構(gòu)表面的模擬與實驗
此外，圖3b中綠線（P-QBIC模式）在4.4 μm附近出現(xiàn)了較小的峰，對應(yīng)于與P-QBIC模式正交極化上的另一LSP模式。單像素超構(gòu)表面LSP與P-QBIC模式切換的模擬與實驗結(jié)果如圖4所示。
圖4 單像素超構(gòu)表面LSP與P-QBIC切換的模擬與實驗
由于石墨烯的半金屬性質(zhì)使其可通過靜電門控對其載流子密度和溝道電阻率進行微調(diào)，因此Gr-FET可實現(xiàn)可編程的空間溫度調(diào)控。與采用固定電阻的傳統(tǒng)金屬加熱相比，基于石墨烯的可調(diào)加熱器可以更直接地擴展到具有密集排列、獨立控制像素的大面積片上二維陣列，并且由于單層石墨烯的熱質(zhì)量接近于零，這種加熱器有望實現(xiàn)高速調(diào)控，相關(guān)實驗結(jié)果圖如圖5所示。
圖5 Gr-FET空間溫度調(diào)控的實驗演示
接著，研究人員引入了可尋址的像素化有源超構(gòu)表面，每個像素具有獨立的局部柵極，從而形成了具有調(diào)節(jié)輻射的像素化二維陣列，相關(guān)測試結(jié)果如圖6所示。
圖6 用于二維陣列顯示的可尋址像素化模式的實驗演示
為了定量地了解通過像素掃描顯示動態(tài)紅外圖案的二維陣列上單像素的響應(yīng)速度，研究人員對單像素器件進行了熱瞬態(tài)模擬。瞬態(tài)單像素調(diào)控的模擬與實驗如圖7所示。
圖7 瞬態(tài)單像素調(diào)控模擬與實驗
雖然這項研究成功地展示了利用Gr-FET陣列進行二維溫度調(diào)控的可行性，但由于石墨烯像素晶體管無法完全關(guān)閉，器件中仍會產(chǎn)生熱串?dāng)_。為了解決這一問題，研究人員開發(fā)了一種上拉（PU）晶體管架構(gòu)作為低串?dāng)_的雙柵極像素化陣列，相關(guān)實驗結(jié)果如圖8所示。
圖8 低串?dāng)_雙柵像素化陣列的實驗演示
綜上所述，這項研究展示了一種集成Gr-FET的像素化電驅(qū)動等離子體超構(gòu)表面，用于動態(tài)相干中紅外輻射調(diào)控。包括LSP和P-QBIC在內(nèi)的等離子體納米天線經(jīng)過定制設(shè)計，再結(jié)合石墨烯的超寬帶紅外透明性，實現(xiàn)了對不同相干狀態(tài)的調(diào)控，包括共振波長、方向和偏振。通過將輻射率控制與Gr-FET空間溫度調(diào)控相結(jié)合，實現(xiàn)了二維像素化高速動態(tài)調(diào)控，在低串?dāng)_下帶寬約為146 kHz。通過對紅外波段電磁響應(yīng)的高度動態(tài)調(diào)控，這項研究實現(xiàn)的集成石墨烯的有源超構(gòu)表面在紅外芯片實驗室（lab-on-a-chip）、化學(xué)和生物傳感、個性化健康監(jiān)測以及便攜式實時光束整形與轉(zhuǎn)向等方面具有重要應(yīng)用價值。
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https://doi.org/10.1038/s41467-025-56811-z
