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米测MeLab
2024-12-03
特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。超表面（亚波长纳米结构的薄平面阵列），改变了我们控制光流动的方式。最近的突破已将其功能扩展到被动操纵之外，允许对光的发射、吸收和调制进行动态控制。通过将超表面与发光二极管( LED )、激光器、调制器和光电探测器等光电子器件融合，逐渐出现了超材料器件，它提供了关键的性能改进和全新的功能。这些在增强现实( AR )和虚拟现实( VR )系统、光通信、智能热管理、计算成像、太阳能收集和量子技术等领域具有广泛应用。随着超表面技术的成熟，其与光电子学的集成有望在先进光电子器件的发展中发挥越来越重要的作用。在此，新加坡科学技术研究局Arseniy I.Kuznetsov和斯坦福大学MarkL.Brongersma等人概述了最先进的基于超表面的光电设备，重点介绍主要成就、基本原理和技术挑战。还讨论了用于超表面制造、材料选择、与电子设备的协同设计和设备集成的各种策略，同时探索了未来研究和开发的潜在途径。通过整合现有知识并确定当前的障碍，本综述旨在巩固当前的研究格局，并提供针对光电器件的超表面能力的观点，为学术界和工业界未来的研究和开发工作提供新的方向。 纳米尺度的物理效应，如量子力学效应和光学共振，能够产生极端的光-物质相互作用，通过智能设计可以显著改善对电荷和光流的控制，实现功耗的大幅降低。半导体、电介质和金属在纳米尺度上的集成，使得光电器件和电路能够利用新的设计概念，发挥各组成部分的优势，实现电子学和光子学的无缝、高度集成。金属结构在纳米光电器件中扮演多重角色，包括作为高电导率电极、光反射器、等离子体谐振器和波导，以及光学天线，增强光与物质的相互作用。半导体在光电器件中也至关重要，通过产生光激发载流子有效地将光信号转换为电子信号。纳米图案化半导体支持强光学共振，改进光发射、调制和吸收功能。超表面集成器件预示着器件小型化不会牺牲性能，反而为太阳能收集、成像系统和安全通信等领域的创新开辟了道路。 发光二极管(LED)的设计旨在提高发射效率并控制光的属性，但这些属性的集合及其可控性通常有限。LED的峰值发射波长、发射线宽和量子效率受到材料选择和物理特性的限制。超表面集成到LED中，即“超LED”，可以显著提高发射和提取效率，改善对发射光的角度和偏振特性的控制。超表面可以直接图案化在LED的顶部或底部表面，或放置在发射层近场中，通过定义谐振纳米结构来改变发射光的相位和动量，实现光束整形和偏振控制。这种集成提供了提高性能和增加功能的优势，如定制光谱和角度特性，提高效率和色彩纯度，同时避免了传统LED的限制。 超表面激光器通过精确控制发射特性提供独特优势，包括光束轮廓、方向性和偏振的超快速调谐，适用于需要快速响应的应用。与传统光子晶体相比，超表面利用集体共振提供更大控制力，实现高Q因子和发射特性的灵活性。介电谐振纳米结构和连续体中的束缚态（BIC）等光子概念被用于激光装置，以控制方向性、偏振和模式分布。BIC激光器与传统面发射激光器的区别在于发射的光子构成极化涡旋。尽管提出了许多使用共振纳米结构的概念，但将它们集成到电泵浦设备中仍然是一个挑战，需要考虑电气设备的要求和热管理。谐振纳米结构激光装置的实现将对传感、光通信和量子技术等领域产生重大影响。 动态可调超表面技术在光电应用中具有挑战性，但发展迅速。这种技术能够实现光波前的亚波长动态控制，对于2D和3D全息投影、AR/VR设备、自动驾驶激光雷达等应用具有潜力。实现这一目标需要超表面与电路集成，以在单个像素级别驱动。液晶、相变材料和半导体是实现相位或幅度调制的最有前途的平台，各有优缺点。液晶提供高衍射效率和稳定性，但切换速度慢；相变材料具有非易失性切换，但存在疲劳效应；半导体开关速度快，但光吸收不良。选择合适的材料平台对特定应用至关重要。超表面技术的发展需要确保低压切换、高衍射效率、快速刷新率、低功耗、高均匀性和材料兼容性，以促进商业化。 超表面技术的发展为光电探测器带来了革命性的进步，使其能够检测光的多种特性，如波长、相位、偏振等，这些在传统探测器中难以实现。超表面集成光电探测器（MIPD）通过亚波长超原子与光电检测系统的集成，提高了光电转换效率，实现了亚波长有效区域的光收集。MIPD在消费电子、医疗保健和制造业等便携式应用中具有潜力，要求轻量化、高光谱和空间分辨率以及快速刷新率。此外，超表面技术还推动了智能视觉的发展，预示着光电检测和光成像领域的一场革命。太阳能电池通过半导体材料将阳光转化为电能，但高折射率和抛光表面导致光线强烈反射。为减少反射，常用透明介电层或导电氧化物和聚合物作为抗反射涂层。光捕获结构能增强光吸收，对厚电池通过微米级结构实现，对薄电池则需纳米结构光捕获层，如等离子体和米氏共振光捕获层。米氏共振结构因无寄生损耗而更受青睐，已在晶圆级上实现，并能通过相消干涉减少反射。双峰尺寸分布的米氏谐振器阵列支持多谐振，实现宽带光捕获，显著提高超薄电池的功率转换效率，如2.8微米厚的c-Si太阳能电池效率可达11.2%。 超表面与光电器件集成将推动超紧凑、高效、多功能器件的发展。实现这一潜力需要光子和电子功能的协同设计，以平衡光操控和电子性能。材料选择和器件架构对优化性能至关重要，大规模纳米图案化技术是商业化的关键。跨学科合作将有助于克服挑战，推动超表面光电设备在多个领域的应用。SON TUNG HA, et al. Optoelectronic metadevices. Science, 2024, 386(6725) DOI: 10.1126/science.adm7442https://www.science.org/doi/10.1126/science.adm7442
