研究透视:光电超表面 | Science
文摘
2024-11-30 03:57
北京
超表面Metasurfaces是超薄光学元件,通常由有效散射、吸收或发射光的亚波长纳米结构密集阵列组成。最初是作为无源器件开发的,现在正在努力开发具有有源光学功能的超表面。该项综述回顾了基于超表面光电器件的技术现状,突出了关键成就、基本原理和未来技术挑战。还讨论了用于超表面制造、材料选择、与电子设备的协同设计,以及设备集成的各种策略,所有这些都是超表面技术商业化的关键步骤。通过纳米级调控光波,超表面Metasurfaces,为光子学设计带来了新的机遇。这些人工结构层,主要用于调控光的相位、振幅和偏振,从而无源地操纵光的流动。同时,超表面也可以动态地调制这些参数,并操纵基本的光吸收和发射过程。这些有价值的特性,可将超表面应用领域拓展到芯片级光电子学,以及概念上的新量子光源、显示器、空间光调制器、光电探测器、太阳能电池和成像系统。在材料和器件与现有技术集成方面,也出现了新的机遇和挑战。近日,新加坡科技研究局(A*STAR)Son Tung Ha,Arseniy I. Kuznetsov等,美国 斯坦福大学(Stanford University)Qitong Li,Mark L. Brongersma等,在Science上发表综述文章,旨在巩固当前的研究前景,并提供光电器件特定的超表面特征,为学术界和工业界未来的研究和开发工作,提供新的方向。图2. 在光电器件中,金属和半导体纳米结构的多重作用。超表面Metasurfaces,是亚波长纳米结构的薄平面阵列,改变了调控光流动的方式。最近研究突破,已经将超表面能力拓展到无源操纵之外,实现了动态调控光的发射、吸收和调制过程。融合超表面与光电器件(如发光二极管(LED)、激光器、调制器和光电探测器),超材料器件metadevices 正在出现,提供关键性能和全新功能。这为增强现实augmented reality (AR) 和虚拟现实virtual reality (VR) 系统、光通信、智能热管理、计算成像、太阳能采集和量子技术等应用,带来了令人兴奋的机会。随着超表面MetaSurface技术的成熟,并与光电子学集成,有望在先进光电子器件的发展中,发挥日益突出的作用。这一综述讨论了最新的研究进展,新兴的机遇,以及将超表面集成到光电器件中的持续挑战。通过将传统光电器件内的金属、半导体和绝缘层图案化成纳米结构,可以利用超表面光学谐振。以提高性能。还开启了新机会,即设备中的纳米结构,可以同时执行重要的光学、电子、力学和热功能。为此,探索如何将这些概念,应用于实现光发射、调制和检测等概念的新光电器件。在发光二极管LED中,超表面已用于增强发射体的辐射衰减,从而导致更高的量子产率和更长的器件寿命。某些光学信道的外部耦合能力进一步促进了方向性、光谱和偏振控制,并且提高了提取效率。超表面增强激光器丰富了谐振腔设计原理,拓宽了可获得的物理学领域。在光束质量、发射控制和偏振选择性方面,已经证明了显著的提升。这些对于光通信、精密传感和计算成像应用,是至关重要的。此外,超表面已用于光学调制器,以显著增强通常较弱的电光效应,从而在较小的覆盖区中,实现更快的相位和幅度调制,以促进AR/VR、LIDAR(光探测和测距)和全息显示器的更高空间分辨率。光电探测器也受益于超表面集成。可以过滤或选择性地吸收特定光学模式的光子,因此不仅可以捕获强度,还可以捕获复杂的光场信息,包括入射光的光谱、相位和偏振特性。这种能力,已经促进了成像系统的进步,特别是在基于硬件的图像处理和光学计算。此外,超表面,还可以在超薄柔性太阳能电池上形成图案,通过提供有价值的抗反射和光捕获功能,以提高太阳能电池的能量转换效率。通过实现超紧凑、高效和多功能系统,将超表面集成到光电器件中,为推进未来技术带来了相当大的希望。然而,为了充分实现这一优势,协同设计方法,是至关重要的,确保光子和电子功能,同时得以优化。实现纳米级光控制和高效电子操作(如电荷注入和热管理)之间平衡,仍然是主要挑战。超材料器件的设计,必须考虑材料兼容性和超表面相对于有源电子层的战略布局。此外,工业标准兼容的大规模制造技术,对于将超材料技术过渡到商业应用,是至关重要的。随着超材料领域的进步,光子、电子、材料科学和制造业之间的跨学科合作,将是克服这些挑战并释放基于超表面的光电器件在实际应用中全部潜力的关键所在。Son Tung Ha et al. ,Optoelectronic metadevices. Science 386, eadm 7442 (2024).DOI:10.1126/science.adm7442https://www.science.org/doi/10.1126/science.adm7442声明:仅代表译者观点,如有不科学之处,请在下方留言指正!
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