上海光機(jī)所精密光學(xué)制造與檢測(cè)中心與合作單位山東省棗莊學(xué)院、天津大學(xué)在太赫茲超表面對(duì)多波段Fano共振的雙重控制方面取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以“Dual control of multi-band resonances with a metal-halide perovskite-integrated terahertz metasurface”為題發(fā)表于Nanoscale上，實(shí)現(xiàn)了金屬鹵化物鈣鈦礦集成太赫茲超表面對(duì)多波段Fano共振的雙重控制，對(duì)未來(lái)實(shí)現(xiàn)多種方式調(diào)制超表面的電磁特性具有重要指導(dǎo)意義，為未來(lái)開(kāi)發(fā)多種方式的可調(diào)諧超表面提供了新的途徑。

Fano共振是一種特殊的物理現(xiàn)象，具有非對(duì)稱分布的線型和尖銳光譜的特征，具有高Q品質(zhì)因子，而基于Fano共振現(xiàn)象的多波帶超表面光學(xué)器件對(duì)通信和生物領(lǐng)域的器件設(shè)計(jì)具有重要價(jià)值，且多應(yīng)用于時(shí)分復(fù)用、太赫茲高速無(wú)線通信、生物醫(yī)學(xué)傳感器、光解 碼器等多種器件設(shè)計(jì)領(lǐng)域。鑒于鈣鈦礦族材料具有更高的載流子遷移率和更長(zhǎng)的擴(kuò)散長(zhǎng)度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，故鈣鈦礦的超表面具有較大的研究?jī)r(jià)值，且在太陽(yáng)能電池、LED、光電探測(cè)器和激光器等領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。然而，利用多波段Fano共振現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦可調(diào)諧超材料器件的報(bào)道相對(duì)較少且其主要基于光調(diào)制的方式，受超表面微納單元結(jié)構(gòu)的限制，也往往只能實(shí)現(xiàn)較少的工作頻帶（<=3個(gè)），且具有較低的Q品質(zhì)因子，調(diào)諧功能較弱，影響了工作效能,光調(diào)諧方式實(shí)現(xiàn)的超表面元件調(diào)諧范圍也較小。因此，設(shè)計(jì)并制備多種調(diào)制方式的多波帶Fano共振鈣鈦礦超表面是目前科研人員關(guān)心的熱門話題。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)、制造了一種基于五邊形花瓣形狀的周期性結(jié)構(gòu)組成的可調(diào)諧鈣鈦礦超表面，其能在x方向?qū)崿F(xiàn)五個(gè)波帶的Fano共振，且有多個(gè)諧振波段高Q品質(zhì)因子。由于搭建系統(tǒng)和可調(diào)諧的光電材料利用相對(duì)困難，分別利用電、光兩種方式實(shí)現(xiàn)電磁調(diào)控也不方便,研究人員根據(jù)鈣鈦礦薄膜獨(dú)特的光電特性，通過(guò)超表面上表面附加鈣鈦礦層和離子膠薄膜，運(yùn)用激光和電壓變化的方式改變超表面鈣鈦礦薄膜的電導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)了由激光和電子設(shè)備分別獨(dú)立調(diào)制的超材料集成鈣鈦礦器件, 拓展了鈣鈦礦材料的調(diào)制方式，其最大調(diào)制深度(MD)達(dá)到了197.39%。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，微納單元間的電容效應(yīng)和鈣鈦礦費(fèi)米能級(jí)調(diào)節(jié)效應(yīng)在光電調(diào)制中起著重要作用，尤其電調(diào)控的調(diào)制特性具有更寬的頻移范圍和更大的可調(diào)諧幅度。

圖1.金屬鹵化物集成太赫茲多波段Fano共振超表面的示意圖(a)光調(diào)控鈣鈦礦超表面的實(shí)驗(yàn)設(shè)備環(huán)境(b)顯微鏡下的1cm×1cm超表面成品(c)單個(gè)超表面單元的幾何結(jié)構(gòu)和參數(shù) (d)SEM顯微鏡下的鈣鈦礦鹵化物結(jié)構(gòu)(e)單個(gè)超表面單元等效的電容效應(yīng)

圖2. (a)電調(diào)控鈣鈦礦超表面的透過(guò)率特性(b)仿真后不同電導(dǎo)率時(shí)超表面的透過(guò)率特性(c)光調(diào)控鈣鈦礦超表面的透過(guò)率特性(0-179.11mW/cm²)(d)光調(diào)控鈣鈦礦超表面的透過(guò)率特性(0-33.09mW/cm²)

相關(guān)工作得到了上海市揚(yáng)帆計(jì)劃、國(guó)家自然基金、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的支持。

原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/nr/d2nr00292b/unauth