一種基于硅的熱光效應(yīng)與閃加熱驅(qū)動的電可調(diào)超構(gòu)表面

導(dǎo)讀

超構(gòu)表面因其優(yōu)異的光散射特性而備受研究者的關(guān)注。然而，固有的靜態(tài)幾何形狀限制了超構(gòu)表面對動態(tài)可調(diào)諧光學(xué)的應(yīng)用。因此，研究者們迫切尋求一種可以實(shí)現(xiàn)具有快速調(diào)控速率、小信號調(diào)控、固態(tài)和跨多像素可編程的超構(gòu)表面動態(tài)調(diào)諧的方法。

研究人員提出了一種基于硅的熱光效應(yīng)與閃加熱驅(qū)動的電可調(diào)超構(gòu)表面。設(shè)備由作為局部加熱器的透明導(dǎo)電氧化銦錫(ITO)層封裝的非晶硅孔陣列超表面組成。控制觸點(diǎn)電勢，使得超表面頂部的導(dǎo)電氧化銦錫層釋放熱量。熱光效應(yīng)引起硅折射率變化，相應(yīng)地導(dǎo)致超表面的共振漂移和共振波長處透明度的突變。通過 <5V偏置電壓和?<625 μs的調(diào)制上升時(shí)間顯示了9倍的透射強(qiáng)度變化。其可電編程多個(gè)像素，并進(jìn)行視頻幀速的光學(xué)切換。

研究背景

超構(gòu)表面如今已實(shí)現(xiàn)了許多革命性的應(yīng)用，例如超透鏡、求解器、光束整形器和全息投影等。并且，由于電驅(qū)動超表面與個(gè)人電子設(shè)備的可集成性，成為了超表面研究的焦點(diǎn)。就目前而言，已有基于載流子注入、液晶調(diào)制、普克爾斯效應(yīng)、電驅(qū)動相變材料等技術(shù)用于超表面的調(diào)控。

載流子注入方法在紅外處表現(xiàn)出超快的調(diào)制響應(yīng)，但調(diào)制對比度較弱并會在系統(tǒng)中引起大量的吸收。液晶調(diào)控方法可以為超表面提供更強(qiáng)的調(diào)制能力，但調(diào)制速度有限、單元非固態(tài)、組件體積龐大并會引起偏振效應(yīng)等缺點(diǎn)?；谄湛藸査剐?yīng)的電光可調(diào)諧超表面響應(yīng)速度快，但需要反演不對稱性材料，并且調(diào)制深度通常很低。

而電驅(qū)動相變材料超表面不僅在可見光和近紅外光譜范圍內(nèi)引入強(qiáng)吸收，更重要的是從晶體態(tài)到非晶態(tài)的恢復(fù)通常需要高溫處理(>600oC)，導(dǎo)致無法與CMOS器件集成。因此，目前急需一種電調(diào)諧方法可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速、高效、透明、固態(tài)與偏振無關(guān)的超表面調(diào)制。

研究創(chuàng)新

研究人員提出了一種調(diào)制深度為90%的電可調(diào)固態(tài)超表面，其調(diào)制速率比視頻幀速快一個(gè)數(shù)量級。通過采用由電驅(qū)動局部透明加熱器控制的熱光硅孔陣列超表面，引入了一種通過光開關(guān)適應(yīng)快速電切換的有效方法。



圖1通過閃局部加熱的電可切換超表面像素

利用閃局部加熱實(shí)現(xiàn)的電可調(diào)孔陣列超表面像素的實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。由電子驅(qū)動系統(tǒng)控制觸點(diǎn)施加電勢，電流流過對應(yīng)超表面像素頂部的導(dǎo)電氧化銦錫(ITO)層，使得ITO因其歐姆電阻發(fā)出熱量。由于熱光效應(yīng)引起硅折射率的變化，相應(yīng)地導(dǎo)致超表面的共振漂移和共振波長處透明度的突變。冷卻是通過自然熱傳導(dǎo)和熱輻射。圖1b顯示了孔陣列超表面的模擬透射光譜，及對應(yīng)的電場分布（MD磁偶極子；ED電偶極子）。



圖2超構(gòu)表面的調(diào)控性能

圖2a為在室溫（藍(lán)色0V）和驅(qū)動4V偏壓后在780 nm處樣品的熱光響應(yīng)。由于熱光效應(yīng)，超表面溫度升高導(dǎo)致諧振器的折射率發(fā)生變化，隨后導(dǎo)致諧振波長發(fā)生偏移。該設(shè)計(jì)使得將電開關(guān)轉(zhuǎn)換為局部閃加熱，受熱光效應(yīng)影響體現(xiàn)為光學(xué)開關(guān)。

圖2b和2c為電壓-溫度模擬曲線和對應(yīng)的光功率情況。其中(i)采用方波信號，而(ii)為改進(jìn)的非對稱下降階躍信號。這里所采用的下降尖峰電壓偏置確保了更快的加熱曲線，使得系統(tǒng)切換時(shí)間控制在亞毫秒量級（625 μs內(nèi)光功率從10%增至90%），遠(yuǎn)快于視頻幀速。



圖3 超表面的時(shí)間調(diào)制

圖3展示了超構(gòu)表面開關(guān)的穩(wěn)定性、可重復(fù)性和可調(diào)性。在20 s內(nèi)電壓偏置開關(guān)頻率從0.25 Hz增加到100 Hz，后鎖定2s，再以反對數(shù)方式經(jīng)20 s降低到0.25 Hz（3 V階躍電壓偏置，占空比為0.5)。然而，在較高的開關(guān)頻率(30 - 100 Hz) 下，光學(xué)響應(yīng)的最小值和最大值逐漸增加和減少。

為此，圖3b和3c進(jìn)一步研究了3-3.8 V電壓下的光功率，其中觀察到的最小光功率（基線）水平增加，而最大光功率水平在更高頻率下降低。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于基板和ITO微加熱器中累積的局部熱量導(dǎo)致的，由于0 V下的弛豫時(shí)間短于冷卻至室溫的時(shí)間（~68 ms），因此系統(tǒng)會積聚熱量。它響應(yīng)了基線的增加，導(dǎo)致共振波長偏離激光波長。圖3d和3e為光學(xué)圖像和SEM。



圖4 可尋址超構(gòu)表面像素

圖4將四個(gè)孔陣列超表面分別定義為顯示器的四個(gè)像素。每個(gè)像素可以通過不同微加熱器獨(dú)立控制。在室溫下760 nm處表現(xiàn)出共振。在5 V偏置電壓的微加熱器加熱時(shí)，該共振經(jīng)紅移至780 nm。為此以100 ms的間隔施加了持續(xù)時(shí)間為100 ms的5 V脈沖。超表面由波長為780 nm的激光束照亮，并成像到CCD上。圖4b-e顯示為對應(yīng)的開啟和關(guān)斷情況。

審核編輯：劉清