动态可调谐超表面的调控机制
电调谐动态超表面
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可调谐的等离激元超表面主要基于构成超表面的纳米结构的材料介电常数,其周边环境的介电常数,以及超表面的纳米结构的尺寸变化导致的响应变化。电控可调的超表面主要是利用电响应的一些材料,比如液晶材料、二维材料、电致变色材料等改变折射率或者结构单元的尺寸,进而达到响应调谐的目的。其中液晶材料集成在超表面上面可以实现连续的折射率调节,在光调控上有比较广泛的应用,并且材料的制备工艺非常成熟;二维材料因能带的连续可调谐性,使其图形化的结构或者集成其他纳米结构都能实现良好的光学性能的可调谐,但目前在制备工艺上还不是特别成熟,需要进一步探索可能产业化的制备流程。
热调谐动态超表面:
将超表面与半导体、透明导电氧化物、相变材料等热响应材料相结合,基于热光效应、载流子变化和相变等机制,可实现热调谐动态超表面。以硅为代表的半导体,温度改变会使其能带发生变化,进而影响材料的折射率,调节超表面的响应。另一类热调谐超表面是基于以二氧化钒(VO
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)、锗锑碲(GST)相变合金、液晶为代表的相变材料,温度变化使得材料发生相变,进而产生折射率调制,影响超表面的响应。液晶作为一种光学各向异性的相变材料,与上述其他相变材料类似,液晶和超表面作为一个整体,通过热控液晶材料相变调制其折射率,从而影响超表面的功能。液晶可调超表面另外一种调控机制为液晶作为独立的调控单元,通过调制以偏振为主的入射光状态来调制超表面的功能,这种方式相比于改变液晶折射率可实现更大的调制范围。
光调谐动态超表面:
光泵浦可以实现皮秒甚至飞秒量级更快的调制。基于硅、III-V族半导体、透明导电氧化物(TCO)等材料的光激发载流子调控机制被广泛应用于光可调超表面中。另一种光调谐超表面基于光热效应与材料相变,与基于相变材料的热可调超表面类似,高能激光的光热效应诱导材料局部升温,产生相变,其折射率的变化调制超表面功能。
机械调谐动态超表面:
机械调控是通过机械力作为外部激励改变超表面中超原子的几何形状和相邻原子间距来进行动态调控,主要有微机电系统(MEMS)以及柔性衬底两种思路。MEMS,也称为微机电系统,是一种在微米或纳米尺度上的机械系统,其机械结构在外部激励下会发生变化。而通过柔性衬底来实现可调超表面的早期工作,是通过将超原子阵列转移到柔性基板上,拉伸衬底导致超表面的超原子结构和晶格的变化。
化学调谐动态超表面:
化学调谐是通过化学的手段使构成超构原子的材料发生化学成分改变或者超构原子周围介质发生化学性质改变,材料化学性质的改变会造成折射率或者偏振等材料光学物理参量的变化,因此整个器件的电磁响应也会被改变,然后再通过可逆的转化,从而达到对超构表面光学器件进行可逆重构调控。化学调谐动态超表面实现路径主要有两条,第一种是使用Mg、Si等材料作为超构原子,通过可逆化学反应使得超构原子的构成材料发生变化,进而整个器件的电磁响应也会被改变。第二种实现化学调谐动态超表面的思路是通过改变超构原子周围介质的性质,进而引起整个器件的电磁响应改变。