电热可控的硅基超表面宽带太赫兹减反膜

超表面是由亚波长薄层的亚波长面内功能构建块构成的,用于控制电磁波的幅度和相位。有源超表面的调控可以通过电偏压、温度、磁场、光泵浦、或机械变形等来实现,从而实现对电磁波的幅度和相位的实时调控。超表面的光学调控功能对太赫兹科学技术的进步具有重要影响。通过调节有源超表面的相位、振幅和频率,各种有源太赫兹元器件例如滤波器、开关等得以被实现。将超表面与功能材料结合起来,例如石墨烯、半导体二维电子气系统等,有源超表面能实现更多功能。硅是用于制造太赫兹光学器件的最流行的材料之一,并且最近成为可用于超表面应用的大有前途的材料。此外,硅基光电子器件的制造完全与CMOS兼容,具有大规模可制造性,低成本和易与其他光子架构集成的优点。尽管有诸多优点,目前为止却很少有基于硅的有源超表面的报道。

当太赫兹脉冲通过硅基光学器件时,由于硅和空气之间的大折射率差异,太赫兹脉冲会发生多次内反射。法布里-珀罗干涉条纹会出现在宽带太赫兹的频域谱中。现有的无源超表面应用于宽带太赫兹减反膜的设计,例如具有深亚波长周期性的金属光栅/网格等。它的超宽带的减反特性是基于阻抗匹配以及导电材料Drude电导率低频尾部的低色散性质。然而,对于无源减反膜而言,精准控制与减反条件匹配的涂层参数是一大困难。相对应的,使用可调控反射系数的有源减反膜,可以解决这个问题。

新加坡材料研究与工程研究所滕京华博士的研究团队及合作伙伴展示了用于宽带太赫兹减反应用的电热可调的硅基超表面薄膜。该超表面由具有一维深亚波长周期性的插指型p-n结组成。它具有原子级光滑的表面,且没有任何物理蚀刻图案,也没有金属天线。通过向p-n结提供偏置电压,复反射系数实部在负值和正值之间连续调节,通过阻抗匹配准确达到完全减反条件。该有源硅基超表面薄膜具有在热调反射率的同时电调透射率的独特性质。这项工作提出了一种全新的设计理念,采用全硅平台,在太赫兹和其他频率范围内制作原子级平滑和电控的元器件。

该工作通过新加坡材料研究与工程研究所、新加坡微电子研究所、新加坡南洋理工大学以及新加坡国立大学多方合作得以实现。文章以“Electrically and Thermally Tunable Smooth Silicon Metasurfaces for Broadband Terahertz Antireflection”为题在Advanced Optical Materials期刊在线发表(DOI:10.1002/adom.201800928)。论文第一作者为丁璐博士,她和滕京华博士为论文共同通讯作者。