红外与太赫兹电磁吸收超表面进展综述
【华南理工大学周绍林副教授课题组】

       

       由于当前无线通讯设备的大量使用,造成波谱空间中存在着各类电磁波信号,因此电磁防干扰技术面临着持续严峻的挑战。通过能量转化实现电磁吸收的材料或结构设计,是应对该挑战的主要策略之一。同时,在微波、毫米波段乃至太赫兹、红外多个波段中,电磁吸收或吸波技术一直是提高作战平台生存能力的研究热点,被广泛应用于探测、精确打击、隐身等军事应用场合,包括用于各种新型雷达系统和先进制导武器等。但由于传统吸波材料存在重量大、结构厚、效率低等诸多问题,因此具有轻量化、平面化和易于集成等优势的电磁超构表面,逐渐引起了研究人员的广泛关注并成为当下吸波技术的新选择。作为人工介质超材料的二维或平面化版本,超表面的设计基于厚度远小于中心工作波长的周期超构单元,其不但继承了完美吸收、奇异透反射、负折射等众多新颖特性,更因其轻薄优势展现出巨大的应用潜力,在平面光学元件、新型电磁吸收与探测等应用中成为核心选择。

       华南理工大学微电子学院周绍林副教授课题组致力于微纳光电子器件及其集成工艺研究。在红外及太赫兹探测或传感应用中,团队结合超表面的轻薄化及易于集成等优势,重点探索吸波超表面结构优化设计及其与红外探测器架构体系的工艺集成,进一步优化探测器抗反射层性能,提高量子效率、响应度等性能指标。

       本文从超表面的基本概念和背景出发,总结论述了当前红外和太赫兹波段下超表面器件的设计思路与研究进展。针对超宽带吸收超表面,传统方法是在周期单元内设置尺寸渐变的谐振单元或者纵向上设计垂直级联单元。近年来,基于超表面与介质阻抗匹配的色散理论为宽带超表面设计提供了新思路,尤其是悬链线电磁学的一系列新突破,丰富了宽带吸波表面器件的单元结构类型与设计思路。此外,对于开关、调制等动态调控需求,基于半导体、液晶或相变材料的吸收可调超表面成为新的研究动向,即集成有源介质、超表面、吸波结构三者实现器件谐振特性的动态调控等。本文介绍的仅仅是超表面广阔应用的冰山一角,纵观超表面的发展,它一直是朝着应用面不断扩大、多元化甚至结构简单化方向发展,新的现象与应用不断出现,如一维超材料、相干吸收超表面等。

图1 吸收器基本结构图

Guo W L, Liu Y X, Han T C. Ultra-broadband infrared metasurface absorber[J]. Optics Express, 2016, 24(18): 20586–20592

 


图2 宽带 THz 吸收器结构图 (a) 俯视图;(b) 三维示意图
Zhang M, Zhang F, Ou Y, et al. Broadband terahertz absorber based on dispersion-engineered catenary coupling in dual metasurface[J]. Nanophotonics, 2018, 8(1): 117–125.

 

研究团队简介

华南理工大学微电子学院周绍林副教授课题组所在的微电子器件团队,长期以来开展光电子器件、MEMS、宽禁带半导体器件以及微纳光电集成工艺等研究。该团队是一支由10名教职工和超过50名硕博研究生组成的科研创新团队,主要成员专业背景包括光电子、微电子、真空电子、MEMS新型微纳传感器和TFT新型显示器件等,在微电子、光电子领域具有多年的研究经验与工程积累。近年来,在国家大力发展微电子专业的背景下,团队获得了国家与省市系列重大项目资助,包括国家自然科学基金、广东省科技计划、广州市科技计划及企业横向合作等项目20项,发表SCI论文逾50篇,申请专利30项;同时,团队与工信部电子五所、中国科学院光电技术研究所、中国科学院微电子研究所、香港科技大学、香港城市大学等国内外著名研究机构建立了广泛的合作关系,将在新型半导体器件、新型光电集成器件、低维纳米材料器件等方向展开一系列的研究。

相关论文

邓洪朗, 周绍林, 岑冠廷. 红外和太赫兹电磁吸收超表面研究进展[J]. 光电工程, 2019, 46(8): 180666.

DOI:10.12086/oee.2019.180666