近幾十年來，超構材料（Metamaterials）及超構表面（Metasurfaces）在電磁波調控領域展現出了巨大優勢，特別是在紅外波段表現突出。隨著微加工技術的快速發展，微機電系統（MEMS）技術已成為實現器件可重構的重要技術路線。MEMS超構表面在調諧范圍、響應速度和功耗方面展現出顯著優勢。可調諧超構表面的出現為動態紅外調控鋪平了道路，并在推進生物化學傳感和紅外成像等應用中發揮了至關重要的作用。
據麥姆斯咨詢報道，近日，清華大學和南京大學等機構的研究人員組成的團隊提出了一種微加工可調諧窄帶熱輻射器，通過集成MEMS可重構超構表面與片上微加熱器，實現了寬調諧范圍和高品質因子。得益于超構表面與法布里-珀羅（FP）腔的共振模式耦合，通過連續改變空氣間隔厚度，發射峰可在2 ~ 14 μm范圍內進行調制。研究人員將自支撐全金屬超構表面與硅基MEMS執行器相結合，提出了一種構建MEMS可重構超構表面的通用方案，該方案能夠有效消除襯底的本征損耗和多重共振，從而大幅提升光譜分辨率。
針對上述可重構超構表面，研究人員開發并實施了一種晶圓級MEMS微加工工藝，表明該方案批量生產的潛力。研究人員進一步制備了微型化可調諧超構表面熱輻射器，調諧范圍覆蓋長波紅外波段，并通過實驗驗證了其熱輻射調控能力。這項研究為實現高性能實時熱輻射調控提供了切實有效的解決方案，并在構建高度集成、低成本的動態紅外超構器件方面展現出廣闊應用前景。相關研究成果以“Design and fabrication method of the MEMS tunable metasurface thermal emitter with free-standing structures”為題發表于Photonics Research期刊。
圖1 MEMS可調諧超構表面熱輻射器示意圖
器件設計與電磁調控機制
MEMS可調諧超構表面熱輻射器由MEMS可重構超構表面芯片與襯底芯片組成。圖2（a）展示了可重構超構表面由MEMS執行器上的周期性金屬超構原子陣列構成。圖2（c）中的襯底芯片由外圍驅動電極、金反射器以及中心處加熱電極組成。圖2（d）展示了重構過程。
圖2 MEMS可調諧超構表面熱輻射器結構
在該MEMS可重構超構表面中，超構表面與金反射器共同構成空氣間隔型FP腔，其中FP共振與超構表面共振發生耦合，從而產生相消干涉并實現完美吸收。通過改變空氣間隔層的厚度，可以調節吸收峰的中心波長，并通過耦合共振實現寬可調吸收范圍。因此，該MEMS可重構超構表面可以在寬波段內實現可調諧窄帶發射。研究人員模擬了吸收光譜隨空氣間隔厚度變化以及電磁特性，相關結果如圖3所示。
圖3 超構FP腔性能模擬結果
MEMS可重構超構表面的反射系數和透射系數對可調吸收響應至關重要。為了進一步闡明其基本調諧機制，圖4（a）和圖4（b）展示了不同參數下模擬的反射振幅與相位特性。
圖4 MEMS可重構超構表面基本調諧機制
為了實現覆蓋2 ~ 14 μm整個中波紅外（MWIR）和長波紅外（LWIR）波段，并且具有高吸收率和可調波長范圍，研究人員設計了5種不同的超構原子結構，其在不同的空氣間隔層厚度下的模擬光譜如圖5 (a) - 5 (e)所示。
圖5 中波紅外至長波紅外波段超構原子模擬結果
器件的制造工藝
圖6展示了MEMS可重構超構表面的晶圓級制造工藝，該工藝便于實現批量生產。該器件采用表面微加工與體微加工相結合的工藝制備。制造工藝中，利用埋設氧化層和背面氧化層的氧化硅以及粘合層的Cr作為多層硬掩模，以實現不同的設計蝕刻深度，如圖7所示。
圖6 MEMS超構表面芯片的制造工藝
圖7 多層蝕刻掩模示意圖
所制備的MEMS超構表面芯片與襯底芯片集成，襯底芯片包含驅動電極、微加熱器和金反射器，共同構成可調諧紅外熱輻射器。襯底芯片不僅作為靜電驅動的接地平面，還可以構建級聯系統來實現光子功能。襯底的制造工藝如圖8所示。
圖8 襯底芯片的制備及倒裝芯片鍵合工藝
器件表征與性能測試
研究人員對所制備的MEMS超構表面芯片進行了測試。圖9（a）展示了制備的MEMS超構表面晶圓及單顆芯片照片，器件成品率超過95%。圖9（b）展示了使用三維光學輪廓儀檢測表面形貌的結果。研究人員利用傅里葉變換紅外光譜與紅外顯微鏡相結合，測試了三款可重構熱輻射器（E1、E2和E3）的反射光譜，相關結果如圖10所示。
圖9 所制備的超構表面芯片表征
圖10 三款MEMS可重構熱輻射器的測試結果
總結及展望
綜上所述，這項研究提出了一種通用方案，通過集成自支撐全金屬超構表面、靜電驅動MEMS執行器和微加熱器，實現了可調諧超構表面熱輻射器，該熱輻射器具有覆蓋2-14 μm的寬動態范圍和良好的光譜分辨率。將MEMS超構表面與功能化襯底芯片相集成，可以有效地構建微型化可調諧超構器件。研究人員構建并測試了具有不同超構原子結構的MEMS超構表面熱輻射器，證明了設計方案的有效性，并為氣體傳感、熱偽裝及其它應用提供了極具前景的平臺。實際上，通過將不同的超構表面與相應的功能化襯底集成，該MEMS超構表面架構可進一步擴展，從而構建用于光束偏轉的級聯超構表面、可調諧超構透鏡以及光開關的動態超構器件及陣列。這項工作為實現高效、高性能動態紅外光調控提供了一種切實可行的解決方案。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1364/PRJ.574681
