麥姆斯咨詢獲悉，近日，山東大學(xué)前沿交叉科學(xué)青島研究院劉林華/楊家躍團(tuán)隊提出超薄全介質(zhì)超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外共振，突破典型遠(yuǎn)紅外探測器件對厚度依賴的瓶頸問題，相關(guān)成果以“Ultrathin Dual-Band Polaritonic Metasurface Enabling Robust Far-Infrared Detection”為題，發(fā)表于ACS Photonics（中科院一區(qū)TOP，IF=6.7）。論文第一作者為山東大學(xué)22級博士生成濤，通訊作者為楊家躍教授、山東師范大學(xué)韓張華教授，劉林華教授為該工作提供了指導(dǎo)，山東大學(xué)為第一作者/通訊作者單位。
圖1 論文圖形摘要
遠(yuǎn)紅外電磁波（FIR，>15 μm）包含豐富的分子指紋信息，具有穿透深度大、光子能量低等特性，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)檢測、傳感等領(lǐng)域。全介質(zhì)超構(gòu)表面通過將電磁場限制在亞波長單元內(nèi)并增強(qiáng)光-物質(zhì)相互作用，推動了紅外器件向芯片集成、微型化與超薄化方向發(fā)展。然而，將可調(diào)諧光學(xué)共振擴(kuò)展到遠(yuǎn)紅外面臨根本性瓶頸：受衍射極限與材料在該波段本征吸收弱（色散弱）的共同制約，為實(shí)現(xiàn)高效光子-材料耦合往往需要更長的有效光程，進(jìn)而不可避免地增大結(jié)構(gòu)尺寸。現(xiàn)有方案通常依賴多層腔結(jié)構(gòu)或高原子高度超構(gòu)表面，這不僅提升制備難度，也增加了成本。聲子極化激元平臺為緩解上述矛盾提供了可行路徑：強(qiáng)光子-聲子耦合可激發(fā)表面聲子極化激元（SPhPs），并通過超構(gòu)表面工程實(shí)現(xiàn)局域化，形成局域表面聲子極化共振（LSPhRs）。此類結(jié)構(gòu)即使元原子高度僅為百納米，也可在~10 μm波段實(shí)現(xiàn)強(qiáng)共振吸收。
團(tuán)隊提出一種基于 SPhPs的超薄 SrTiO3/Ge混合超構(gòu)表面，突破典型遠(yuǎn)紅外器件對厚度的依賴性瓶頸問題。全波數(shù)值模擬表明，以SrTiO3作為 SPhPs傳輸介質(zhì)、以高折射率Ge作為極化近場擾動元原子，可在超薄幾何下實(shí)現(xiàn)強(qiáng)共振與高效耦合。研究揭示了高頻與低頻Reststrahlen帶內(nèi)局域LSPhPs共振行為差異的物理起源。此外，采用光譜橢圓儀測量了2-30 μm波段吸收光譜與橢偏參數(shù)，成功捕捉到~22 μm處的強(qiáng)共振，從而為機(jī)理解釋提供了額外證據(jù)。與傳統(tǒng)聲子?極化激元平臺相比，該超構(gòu)表面呈現(xiàn)角度無關(guān)的共振特性，并實(shí)現(xiàn)了較高品質(zhì)因數(shù)（Q≈100）。基于上述特性，開展了聚合物檢測的概念驗(yàn)證，證明了遠(yuǎn)紅外模式可實(shí)現(xiàn)高效的厚度傳感與材料識別。本工作展示了在長波共振與超薄器件之間實(shí)現(xiàn)協(xié)同的設(shè)計路徑，為超薄遠(yuǎn)紅外超構(gòu)表面器件的開發(fā)提供了新的思路。
圖2 基于超薄超構(gòu)表面的多聚物探測實(shí)驗(yàn)
山東大學(xué)楊家躍教授長期致力于極端條件熱物理、功率器件熱管理與空間輻照損傷效應(yīng)等方向的前沿交叉研究，相關(guān)成果已發(fā)表于AFM、Nanophotonics、APL、OE等期刊。相關(guān)研究工作得到了海外青年人才、山東大學(xué)杰出青年基金等項(xiàng)目的支持。
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