一种基于硅的热光效应与闪加热驱动的电可调超构表面

导读

超构表面因其优异的光散射特性而备受研究者的关注。然而，固有的静态几何形状限制了超构表面对动态可调谐光学的应用。因此，研究者们迫切寻求一种可以实现具有快速调控速率、小信号调控、固态和跨多像素可编程的超构表面动态调谐的方法。  

研究人员提出了一种基于硅的热光效应与闪加热驱动的电可调超构表面。设备由作为局部加热器的透明导电氧化铟锡(ITO)层封装的非晶硅孔阵列超表面组成。控制触点电势，使得超表面顶部的导电氧化铟锡层释放热量。热光效应引起硅折射率变化，相应地导致超表面的共振漂移和共振波长处透明度的突变。通过 <5V偏置电压和 <625 µs的调制上升时间显示了9倍的透射强度变化。其可电编程多个像素，并进行视频帧速的光学切换。

研究背景

超构表面如今已实现了许多革命性的应用，例如超透镜、求解器、光束整形器和全息投影等。并且，由于电驱动超表面与个人电子设备的可集成性，成为了超表面研究的焦点。就目前而言，已有基于载流子注入、液晶调制、普克尔斯效应、电驱动相变材料等技术用于超表面的调控。

载流子注入方法在红外处表现出超快的调制响应，但调制对比度较弱并会在系统中引起大量的吸收。液晶调控方法可以为超表面提供更强的调制能力，但调制速度有限、单元非固态、组件体积庞大并会引起偏振效应等缺点。基于普克尔斯效应的电光可调谐超表面响应速度快，但需要反演不对称性材料，并且调制深度通常很低。

而电驱动相变材料超表面不仅在可见光和近红外光谱范围内引入强吸收，更重要的是从晶体态到非晶态的恢复通常需要高温处理(>600ºC)，导致无法与CMOS器件集成。因此，目前急需一种电调谐方法可以同时实现快速、高效、透明、固态与偏振无关的超表面调制。  

研究创新

研究人员提出了一种调制深度为90%的电可调固态超表面，其调制速率比视频帧速快一个数量级。通过采用由电驱动局部透明加热器控制的热光硅孔阵列超表面，引入了一种通过光开关适应快速电切换的有效方法。  



图1 通过闪局部加热的电可切换超表面像素

利用闪局部加热实现的电可调孔阵列超表面像素的实现原理如图1所示。由电子驱动系统控制触点施加电势，电流流过对应超表面像素顶部的导电氧化铟锡(ITO)层，使得ITO因其欧姆电阻发出热量。由于热光效应引起硅折射率的变化，相应地导致超表面的共振漂移和共振波长处透明度的突变。冷却是通过自然热传导和热辐射。图1b显示了孔阵列超表面的模拟透射光谱，及对应的电场分布（MD磁偶极子；ED电偶极子）。



图2 超构表面的调控性能

图2a为在室温（蓝色0V）和驱动4V偏压后在780 nm处样品的热光响应。由于热光效应，超表面温度升高导致谐振器的折射率发生变化，随后导致谐振波长发生偏移。该设计使得将电开关转换为局部闪加热，受热光效应影响体现为光学开关。

图2b和2c为电压-温度模拟曲线和对应的光功率情况。其中(i)采用方波信号，而(ii)为改进的非对称下降阶跃信号。这里所采用的下降尖峰电压偏置确保了更快的加热曲线，使得系统切换时间控制在亚毫秒量级（625 μs内光功率从10%增至90%），远快于视频帧速。



图3 超表面的时间调制

图3展示了超构表面开关的稳定性、可重复性和可调性。在20 s内电压偏置开关频率从0.25 Hz增加到 100 Hz，后锁定2 s，再以反对数方式经20 s降低到0.25 Hz（3 V阶跃电压偏置，占空比为0.5)。然而，在较高的开关频率(30 - 100 Hz) 下，光学响应的最小值和最大值逐渐增加和减少。

为此，图3b和3c进一步研究了3-3.8 V电压下的光功率，其中观察到的最小光功率（基线）水平增加，而最大光功率水平在更高频率下降低。这一现象的产生是由于基板和ITO微加热器中累积的局部热量导致的，由于0 V下的弛豫时间短于冷却至室温的时间（~68 ms），因此系统会积聚热量。它响应了基线的增加，导致共振波长偏离激光波长。图3d和3e为光学图像和SEM。



图4 可寻址超构表面像素

图4将四个孔阵列超表面分别定义为显示器的四个像素。每个像素可以通过不同微加热器独立控制。在室温下760 nm处表现出共振。在5 V偏置电压的微加热器加热时，该共振经红移至780 nm。为此以100 ms的间隔施加了持续时间为100 ms的5 V脉冲。超表面由波长为780 nm的激光束照亮，并成像到CCD上。图4b-e显示为对应的开启和关断情况。

审核编辑：刘清