上海光機所精密光學制造與檢測中心與合作單位山東省棗莊學院、天津大學在太赫茲超表面對多波段Fano共振的雙重控制方面取得新進展，相關(guān)成果以“Dual control of multi-band resonances with a metal-halide perovskite-integrated terahertz metasurface”為題發(fā)表于Nanoscale上，實現(xiàn)了金屬鹵化物鈣鈦礦集成太赫茲超表面對多波段Fano共振的雙重控制，對未來實現(xiàn)多種方式調(diào)制超表面的電磁特性具有重要指導意義，為未來開發(fā)多種方式的可調(diào)諧超表面提供了新的途徑。

Fano共振是一種特殊的物理現(xiàn)象，具有非對稱分布的線型和尖銳光譜的特征，具有高Q品質(zhì)因子，而基于Fano共振現(xiàn)象的多波帶超表面光學器件對通信和生物領(lǐng)域的器件設(shè)計具有重要價值，且多應用于時分復用、太赫茲高速無線通信、生物醫(yī)學傳感器、光解 碼器等多種器件設(shè)計領(lǐng)域。鑒于鈣鈦礦族材料具有更高的載流子遷移率和更長的擴散長度的獨特優(yōu)勢，故鈣鈦礦的超表面具有較大的研究價值，且在太陽能電池、LED、光電探測器和激光器等領(lǐng)域具有較大的應用潛力。然而，利用多波段Fano共振現(xiàn)象實現(xiàn)鈣鈦礦可調(diào)諧超材料器件的報道相對較少且其主要基于光調(diào)制的方式，受超表面微納單元結(jié)構(gòu)的限制，也往往只能實現(xiàn)較少的工作頻帶（<=3個），且具有較低的Q品質(zhì)因子，調(diào)諧功能較弱，影響了工作效能,光調(diào)諧方式實現(xiàn)的超表面元件調(diào)諧范圍也較小。因此，設(shè)計并制備多種調(diào)制方式的多波帶Fano共振鈣鈦礦超表面是目前科研人員關(guān)心的熱門話題。

研究團隊設(shè)計、制造了一種基于五邊形花瓣形狀的周期性結(jié)構(gòu)組成的可調(diào)諧鈣鈦礦超表面，其能在x方向?qū)崿F(xiàn)五個波帶的Fano共振，且有多個諧振波段高Q品質(zhì)因子。由于搭建系統(tǒng)和可調(diào)諧的光電材料利用相對困難，分別利用電、光兩種方式實現(xiàn)電磁調(diào)控也不方便,研究人員根據(jù)鈣鈦礦薄膜獨特的光電特性，通過超表面上表面附加鈣鈦礦層和離子膠薄膜，運用激光和電壓變化的方式改變超表面鈣鈦礦薄膜的電導率，實現(xiàn)了由激光和電子設(shè)備分別獨立調(diào)制的超材料集成鈣鈦礦器件, 拓展了鈣鈦礦材料的調(diào)制方式，其最大調(diào)制深度(MD)達到了197.39%。在實驗中發(fā)現(xiàn)，微納單元間的電容效應和鈣鈦礦費米能級調(diào)節(jié)效應在光電調(diào)制中起著重要作用，尤其電調(diào)控的調(diào)制特性具有更寬的頻移范圍和更大的可調(diào)諧幅度。

圖1.金屬鹵化物集成太赫茲多波段Fano共振超表面的示意圖(a)光調(diào)控鈣鈦礦超表面的實驗設(shè)備環(huán)境(b)顯微鏡下的1cm×1cm超表面成品(c)單個超表面單元的幾何結(jié)構(gòu)和參數(shù) (d)SEM顯微鏡下的鈣鈦礦鹵化物結(jié)構(gòu)(e)單個超表面單元等效的電容效應

圖2. (a)電調(diào)控鈣鈦礦超表面的透過率特性(b)仿真后不同電導率時超表面的透過率特性(c)光調(diào)控鈣鈦礦超表面的透過率特性(0-179.11mW/cm²)(d)光調(diào)控鈣鈦礦超表面的透過率特性(0-33.09mW/cm²)

相關(guān)工作得到了上海市揚帆計劃、國家自然基金、中國科學院青年創(chuàng)新促進會的支持。

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