调谐THz传输器

来源：新加坡科技研究局(A*STAR)；电子科技大学红外毫米波与太赫兹研究院 刘洋 编译

（左图）描述的是由丁、滕以及该实验室其他同事研发的一种新型的可调谐超表面结构实物设备。（右图）描述的是THz波击中相互连接的p型和n型半导体硅指状物表面时，使用外加电压可精确控制反射和传输的辐射量的现象。图片来源：新加坡科技研究局•材料研究与工程研究所

在亚波长尺度上掌握可控光源的能力将可能导致光子器件（如天线、太阳能电池板，甚至是隐形器件）发生变革。而纳米技术的进步使这种情况成为可能，因为随着超表面的发展，材料的特征覆盖更小波长的光。

最近，由新加坡科技研究局研究人员领导的一个团队已经制造出了一种很有前景的超表面结构，该结构可以使用传统电路精确控制，从而反射和传输不同数量的辐射。它甚至可以达到“全抗反射”的条件，在这种情况下材料不反射任何辐射。具体来说，该表面使用的是宽带太赫兹辐射，这种辐射位于红外光谱的远端，具有许多潜在的用途，特别是在安全或医疗领域。

“太赫兹辐射可以穿透各种各样的非导电材料，但被液态水或金属阻挡”， 在新加坡科技研究局材料研究与工程研究所（IMRE）与滕京华共同领导这项工作的丁璐解释说。“这意味着太赫兹光束可以用于材料表征、层检测和产生固体物体内部的高分辨率图像。并且它是非电离辐射，比X射线更安全。”

以前超表面常被用来控制太赫兹辐射的反射。然而，这样的应用是有局限性的，正如丁璐研究员解释的那样：“传统的太赫兹减反射表面是被动的，通常使用一种超薄的金属涂层，一旦制造出来，就变得固定，你不能主动调整它的性能。”

“一个电可调谐超表面结构可制造很多的实现各种功能的设备，并在系统设计上更有灵活性，”滕补充说。“这正是我们团队正在寻找的突破点。”

丁和滕与新加坡科技研究局微电子研究所（IME）、南洋理工大学、新加坡国立大学和中国吉林大学的同事一起，在硅片上制备了新的超表面结构，使用与互补金属完全兼容的工艺---支撑大多数电子产品的氧化物半导体（CMOS）技术。

暴露的超表面含有掺杂了其他元素的半导体硅条纹。这些条纹是交替的n型，其中移动电荷载流子是电子，而p型，其中载流子是电子结构中带正电荷的“空穴”。当向p-n结提供的电压发生变化时，辐射的反射和传输也发生变化。

研究小组认识到反射系数随着外加电压引起的温度升高而增加。同时，传输表现出更复杂的响应取决于电压极性，从而影响了占主导地位的电荷载流子的类型。利用太赫兹时域光谱，研究组发现，特定的电压条件会导致从超表面发出的回波脉冲消失，代表着完全的抗反射。

除了提供对反射和透射进行前所未有的控制之外，这种超表面还具有几乎完全在原子水平上平坦的优点。这使得它非常适合在更复杂的设备中构建平滑的层。

“我们研究的另一大优势课题是二维材料如何与二维超材料或超表面相互作用，这是我们在新加坡科技研究局二维半导体Pharos项目中的一个课题。” 滕说：“原子级光滑的表面使2-D-Si异质结构的转移和形成比传统超表面上看到的纳米尺寸柱或圆盘图案表面容易得多。”

“我们可以通过独立地偏压P-N连接或设计模块化功能，进一步开发这种类型的超表面，这意味着我们将拥有预编程超材料，”丁说。滕补充说，同样的平台也可以用来研究像二硫化钼这样有前途的二维材料，这种材料在新的柔性电路中表现出令人印象深刻的电子和光学特性。