超表面Metasurfaces是超薄光學(xué)元件，通常由有效散射、吸收或發(fā)射光的亞波長納米結(jié)構(gòu)密集陣列組成。最初是作為無源器件開發(fā)的，現(xiàn)在正在努力開發(fā)具有有源光學(xué)功能的超表面。

　　該項(xiàng)綜述回顧了基于超表面光電器件的技術(shù)現(xiàn)狀，突出了關(guān)鍵成就、基本原理和未來技術(shù)挑戰(zhàn)。還討論了用于超表面制造、材料選擇、與電子設(shè)備的協(xié)同設(shè)計(jì)，以及設(shè)備集成的各種策略，所有這些都是超表面技術(shù)商業(yè)化的關(guān)鍵步驟。

　　通過納米級調(diào)控光波，超表面Metasurfaces，為光子學(xué)設(shè)計(jì)帶來了新的機(jī)遇。這些人工結(jié)構(gòu)層，主要用于調(diào)控光的相位、振幅和偏振，從而無源地操縱光的流動(dòng)。同時(shí)，超表面也可以動(dòng)態(tài)地調(diào)制這些參數(shù)，并操縱基本的光吸收和發(fā)射過程。

　　這些有價(jià)值的特性，可將超表面應(yīng)用領(lǐng)域拓展到芯片級光電子學(xué)，以及概念上的新量子光源、顯示器、空間光調(diào)制器、光電探測器、太陽能電池和成像系統(tǒng)。在材料和器件與現(xiàn)有技術(shù)集成方面，也出現(xiàn)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

　　近日，新加坡科技研究局(A*STAR)Son Tung Ha，Arseniy I. Kuznetsov等，美國 斯坦福大學(xué)(Stanford University)Qitong Li，Mark L. Brongersma等，在Science上發(fā)表綜述文章，旨在鞏固當(dāng)前的研究前景，并提供光電器件特定的超表面特征，為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界未來的研究和開發(fā)工作，提供新的方向。光電超材料器件

　　超表面Metasurfaces，是亞波長納米結(jié)構(gòu)的薄平面陣列，改變了調(diào)控光流動(dòng)的方式。最近研究突破，已經(jīng)將超表面能力拓展到無源操縱之外，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)調(diào)控光的發(fā)射、吸收和調(diào)制過程。融合超表面與光電器件(如發(fā)光二極管(LED)、激光器、調(diào)制器和光電探測器)，超材料器件metadevices 正在出現(xiàn)，提供關(guān)鍵性能和全新功能。這為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)augmented reality (AR) 和虛擬現(xiàn)實(shí)virtual reality (VR) 系統(tǒng)、光通信、智能熱管理、計(jì)算成像、太陽能采集和量子技術(shù)等應(yīng)用，帶來了令人興奮的機(jī)會(huì)。隨著超表面MetaSurface技術(shù)的成熟，并與光電子學(xué)集成，有望在先進(jìn)光電子器件的發(fā)展中，發(fā)揮日益突出的作用。

　　這一綜述討論了最新的研究進(jìn)展，新興的機(jī)遇，以及將超表面集成到光電器件中的持續(xù)挑戰(zhàn)。通過將傳統(tǒng)光電器件內(nèi)的金屬、半導(dǎo)體和絕緣層圖案化成納米結(jié)構(gòu)，可以利用超表面光學(xué)諧振。以提高性能。還開啟了新機(jī)會(huì)，即設(shè)備中的納米結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)執(zhí)行重要的光學(xué)、電子、力學(xué)和熱功能。為此，探索如何將這些概念，應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)光發(fā)射、調(diào)制和檢測等概念的新光電器件。

　　光電超材料器件

　　圖1. 不同類型的光電超材料器件和啟用功能。

　　圖2. 在光電器件中，金屬和半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的多重作用。

　　圖3. 基于超表面的LED設(shè)備和顯示器。

　　圖4:基于超表面的激光器。

　　圖5. 可調(diào)諧超表面器件及其應(yīng)用的示例。

　　圖6:基于超表面的光電探測器和太陽能電池。

　　在發(fā)光二極管LED中，超表面已用于增強(qiáng)發(fā)射體的輻射衰減，從而導(dǎo)致更高的量子產(chǎn)率和更長的器件壽命。某些光學(xué)信道的外部耦合能力進(jìn)一步促進(jìn)了方向性、光譜和偏振控制，并且提高了提取效率。超表面增強(qiáng)激光器豐富了諧振腔設(shè)計(jì)原理，拓寬了可獲得的物理學(xué)領(lǐng)域。在光束質(zhì)量、發(fā)射控制和偏振選擇性方面，已經(jīng)證明了顯著的提升。這些對于光通信、精密傳感和計(jì)算成像應(yīng)用，是至關(guān)重要的。此外，超表面已用于光學(xué)調(diào)制器，以顯著增強(qiáng)通常較弱的電光效應(yīng)，從而在較小的覆蓋區(qū)中，實(shí)現(xiàn)更快的相位和幅度調(diào)制，以促進(jìn)AR/VR、LIDAR(光探測和測距)和全息顯示器的更高空間分辨率。光電探測器也受益于超表面集成。可以過濾或選擇性地吸收特定光學(xué)模式的光子，因此不僅可以捕獲強(qiáng)度，還可以捕獲復(fù)雜的光場信息，包括入射光的光譜、相位和偏振特性。這種能力，已經(jīng)促進(jìn)了成像系統(tǒng)的進(jìn)步，特別是在基于硬件的圖像處理和光學(xué)計(jì)算。此外，超表面，還可以在超薄柔性太陽能電池上形成圖案，通過提供有價(jià)值的抗反射和光捕獲功能，以提高太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。

　　展望未來

　　通過實(shí)現(xiàn)超緊湊、高效和多功能系統(tǒng)，將超表面集成到光電器件中，為推進(jìn)未來技術(shù)帶來了相當(dāng)大的希望。然而，為了充分實(shí)現(xiàn)這一優(yōu)勢，協(xié)同設(shè)計(jì)方法，是至關(guān)重要的，確保光子和電子功能，同時(shí)得以優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)納米級光控制和高效電子操作(如電荷注入和熱管理)之間平衡，仍然是主要挑戰(zhàn)。超材料器件的設(shè)計(jì)，必須考慮材料兼容性和超表面相對于有源電子層的戰(zhàn)略布局。此外，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)兼容的大規(guī)模制造技術(shù)，對于將超材料技術(shù)過渡到商業(yè)應(yīng)用，是至關(guān)重要的。

　　隨著超材料領(lǐng)域的進(jìn)步，光子、電子、材料科學(xué)和制造業(yè)之間的跨學(xué)科合作，將是克服這些挑戰(zhàn)并釋放基于超表面的光電器件在實(shí)際應(yīng)用中全部潛力的關(guān)鍵所在。

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　　參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)