超表面Metasurfaces是超薄光學元件,，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)具有有源光學功能的超表面,。

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

　　通過納米級調(diào)控光波,，超表面Metasurfaces,，為光子學設計帶來了新的機遇。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,。同時,，超表面也可以動態(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,。

　　這些有價值的特性,，可將超表面應用領域拓展到芯片級光電子學，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)有技術集成方面，也出現(xiàn)了新的機遇和挑戰(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(Stanford University)Qitong Li,，Mark L. Brongersma等，在Science上發(fā)表綜述文章,，旨在鞏固當前的研究前景,，并提供光電器件特定的超表面特征，為學術界和工業(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,，實現(xiàn)了動態(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),，提供關鍵性能和全新功能,。這為增強現(xiàn)實augmented reality (AR) 和虛擬現(xiàn)實virtual reality (VR) 系統(tǒng)、光通信,、智能熱管理,、計算成像、太陽能采集和量子技術等應用,，帶來了令人興奮的機會,。隨著超表面MetaSurface技術的成熟，并與光電子學集成,，有望在先進光電子器件的發(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展,，新興的機遇,，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,、半導體和絕緣層圖案化成納米結(jié)構(gòu),，可以利用超表面光學諧振。以提高性能,。還開啟了新機會,，即設備中的納米結(jié)構(gòu)，可以同時執(zhí)行重要的光學,、電子,、力學和熱功能。為此,，探索如何將這些概念,，應用于實現(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，金屬和半導體納米結(jié)構(gòu)的多重作用,。

　　圖3. 基于超表面的LED設備和顯示器,。

　　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，超表面已用于增強發(fā)射體的輻射衰減，從而導致更高的量子產(chǎn)率和更長的器件壽命,。某些光學信道的外部耦合能力進一步促進了方向性,、光譜和偏振控制，并且提高了提取效率,。超表面增強激光器豐富了諧振腔設計原理,，拓寬了可獲得的物理學領域。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,、精密傳感和計算成像應用,，是至關重要的。此外,，超表面已用于光學調(diào)制器,，以顯著增強通常較弱的電光效應，從而在較小的覆蓋區(qū)中,，實現(xiàn)更快的相位和幅度調(diào)制,，以促進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模式的光子,，因此不僅可以捕獲強度,，還可以捕獲復雜的光場信息，包括入射光的光譜,、相位和偏振特性,。這種能力，已經(jīng)促進了成像系統(tǒng)的進步,，特別是在基于硬件的圖像處理和光學計算,。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,，為推進未來技術帶來了相當大的希望,。然而,，為了充分實現(xiàn)這一優(yōu)勢，協(xié)同設計方法,，是至關重要的,，確保光子和電子功能，同時得以優(yōu)化,。實現(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),。超材料器件的設計,，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)標準兼容的大規(guī)模制造技術,，對于將超材料技術過渡到商業(yè)應用，是至關重要的,。

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

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　　參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)