电可编程等离子体超构表面，实现像素化相干中红外热辐射调控

近年来，有源超构表面（metasurfaces）作为一种紧凑、轻便、高效的调控平台出现，已成为电磁场和光学响应动态调控的关键技术。然而，由于材料的稀缺性和设计复杂性，有源超构表面后道制造（post-fabrication）可调性相关的复杂性严重限制了其广泛应用，尤其是在中红外波段。

据麦姆斯咨询报道，近日，由美国卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）、麻省理工学院（MIT）和南加利福尼亚大学（University of Southern California）组成的研究团队通过实验展示了一种集成石墨烯场效应晶体管（Gr-FET）的电可编程等离子体超构表面实现的相干中红外辐射的高动态、像素化调控。石墨烯的超宽带红外透明性使其能够对等离子体超构原子（meta-atoms）进行定制化调控，从而在宽波段的波长、方向和偏振范围内实现相干中红外辐射。

Gr-FET产生的空间温度调控与金纳米天线局域表面等离子体（LSP）激元和准连续域束缚态（QBIC）对辐射率的控制形成有效协同作用。这种集成温度-辐射率调控的超构表面被系统地扩展成低串扰的像素化二维（2D）阵列，为密集排列的独立可寻址像素的可扩展二维电气布线提供了先进方法。这项研究成果以“Electrically programmable pixelated coherent mid-infrared thermal emission”为题发表在Nature Communications期刊上。

这项研究设计并制造了由Gr-FET电驱动的像素化有源超构表面，如图1a所示。每个像素都由金（Au）等离子体纳米天线阵列组成，这些纳米天线既可以直接与单层石墨烯通道相连，也可以通过氧化铝（Al?O?）介电层隔开。石墨烯层经过图案化并被制造成Gr-FET，其源极和漏极触点采用Au制成。该Gr-FET结构提供了可调控且可编程的焦耳加热通道，用于调节超构表面的空间温度分布。此外，Gr-FET的源极/漏极和底栅电极经过进一步图案化，能够以可寻址像素化模式进行空间温度调控。

随后，通过将像素化等离子体超构表面与Gr-FET集成，研究人员提出了一种集成的辐射率-温度方案，以主动调控超构表面在中红外波段的相干热辐射。具体来说，Gr-FET可将加热位置精确转移到具有指定辐射率的目标像素超构表面。除了图1c中基于尺寸的谐振波长调控外，借助石墨烯红外透明性可以促进定制超构原子的辐射率调控，这可以通过调谐Au纳米棒阵列的极化来进一步证明，相关结果如图2所示。

等离子体准连续域束缚态（P-QBIC）模式源于由两个反向传播的瑞利异常或面内衍射阶产生的理想连续域束缚态（BIC）模式，基于两个椭圆散射体，然后通过小倾角扰动实现在法向的远场辐射。增强相干性的主要因素包括：（1）模式BIC特性抑制了辐射通道，大大提高了辐射品质因子，从而改善了时间相干性；（2）模式非局域特性缩小面内波矢分布，从而提高了空间相干性。基于P-QBIC的单像素超构表面的模拟与实验如图3所示。

此外，图3b中绿线（P-QBIC模式）在4.4 μm附近出现了较小的峰，对应于与P-QBIC模式正交极化上的另一LSP模式。单像素超构表面LSP与P-QBIC模式切换的模拟与实验结果如图4所示。

由于石墨烯的半金属性质使其可通过静电门控对其载流子密度和沟道电阻率进行微调，因此Gr-FET可实现可编程的空间温度调控。与采用固定电阻的传统金属加热相比，基于石墨烯的可调加热器可以更直接地扩展到具有密集排列、独立控制像素的大面积片上二维阵列，并且由于单层石墨烯的热质量接近于零，这种加热器有望实现高速调控，相关实验结果图如图5所示。

接着，研究人员引入了可寻址的像素化有源超构表面，每个像素具有独立的局部栅极，从而形成了具有调节辐射的像素化二维阵列，相关测试结果如图6所示。

为了定量地了解通过像素扫描显示动态红外图案的二维阵列上单像素的响应速度，研究人员对单像素器件进行了热瞬态模拟。瞬态单像素调控的模拟与实验如图7所示。

虽然这项研究成功地展示了利用Gr-FET阵列进行二维温度调控的可行性，但由于石墨烯像素晶体管无法完全关闭，器件中仍会产生热串扰。为了解决这一问题，研究人员开发了一种上拉（PU）晶体管架构作为低串扰的双栅极像素化阵列，相关实验结果如图8所示。

综上所述，这项研究展示了一种集成Gr-FET的像素化电驱动等离子体超构表面，用于动态相干中红外辐射调控。包括LSP和P-QBIC在内的等离子体纳米天线经过定制设计，再结合石墨烯的超宽带红外透明性，实现了对不同相干状态的调控，包括共振波长、方向和偏振。通过将辐射率控制与Gr-FET空间温度调控相结合，实现了二维像素化高速动态调控，在低串扰下带宽约为146 kHz。通过对红外波段电磁响应的高度动态调控，这项研究实现的集成石墨烯的有源超构表面在红外芯片实验室（lab-on-a-chip）、化学和生物传感、个性化健康监测以及便携式实时光束整形与转向等方面具有重要应用价值。

图1 像素化电可编程石墨烯集成等离子体超构表面的工作机制

图2 基于LSP的单像素超构表面的模拟与实验

图3 基于P-QBIC的单像素超构表面的模拟与实验

图4 单像素超构表面LSP与P-QBIC切换的模拟与实验

图5 Gr-FET空间温度调控的实验演示

图6 用于二维阵列显示的可寻址像素化模式的实验演示

图7 瞬态单像素调控模拟与实验

图8 低串扰双栅像素化阵列的实验演示