超構表面在微測輻射熱計中的應用綜述

超構表面突破了傳統自然材料的電磁特性限制，同時(shí)也解決了三維超材料難以加工實(shí)現等瓶頸問(wèn)題，使器件朝著(zhù)集成化，小型化，低成本，可調諧的方向不斷發(fā)展。目前超構表面已在許多領(lǐng)域得到了較為廣泛的應用，在探測器領(lǐng)域也越來(lái)越受到人們的重視，通過(guò)獨特的材料、結構設計，超構表面可有效完成電磁波各項特性的精確調控，通過(guò)超構表面的集成，微測輻射熱計在光吸收增強，器件波段選擇改善等方面有了更多的可能性。

據麥姆斯咨詢(xún)報道，近期，昆明物理研究所的科研團隊在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“超表面在微測輻射熱計中的應用”為主題的文章。該文章第一作者為楊君，通訊作者為袁俊正高工和楊春麗正高工，主要從事紅外探測器的研究工作。

本文針對超構表面及其在微測輻射熱計上的應用研究進(jìn)行了闡述，展現了超構表面在這一領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和廣闊前景。

超構表面的設計與實(shí)現

介電常數和磁導率一定程度上決定了電磁波的傳播特性。如圖1(a)所示，到目前為止自然界中并不存在介電常數和磁導率都為負的物質(zhì)。

圖1 超構表面相關(guān)理論示意圖

根據Cappaso團隊最初提出的超構表面的概念，超構表面通常是通過(guò)組裝微型各向異性光散射體陣列（即諧振器，如光學(xué)天線(xiàn)）來(lái)創(chuàng )建的，能使光束的相位、振幅、偏振等在自由空間波長(cháng)的尺度上產(chǎn)生突變的人工結構。但事實(shí)上，近年來(lái)的相關(guān)文獻當中，各種厚度小于波長(cháng)的電磁表面結構均被歸到超構表面的范疇。

關(guān)于超構表面的理論研究，不得不提到Cappaso團隊提出的廣義斯涅爾定律及對應的天線(xiàn)陣列理論（如圖1(b)、(c)、(d)），它的提出，為超構表面快速發(fā)展奠定了理論基礎。此后，Pancharatnam和Berry在早期的研究中探索出了PB相位原理（如圖1(e)），為后期圓偏振光調控得以實(shí)現打下了理論基礎。而由Pfeiffer等人發(fā)表的惠更斯超構表面為提高超構表面器件效率引出了新方向。同時(shí)學(xué)者們還提出了許多推動(dòng)超構表面發(fā)展的理論，諸如亞波長(cháng)表面電磁理論，等效電路和等效阻抗理論，超構表面輔助的衍射理論，超構表面輔助的電磁吸收理論等。

器件結構設計在具體實(shí)現之前，通常需要通過(guò)仿真來(lái)驗證設計的可行性。超構表面本質(zhì)是一種電磁微納結構，而對于電磁微納結構的仿真已經(jīng)比較成熟，其核心就是通過(guò)數值模擬計算的方法，如時(shí)域有限差分法、有限元法和有限積分法等實(shí)現超構表面對電磁調控的模擬。

在超構表面的制備方面，目前采用比較多的是光刻和印刷兩類(lèi)技術(shù)。光刻類(lèi)技術(shù)通常是利用掩模板把超構表面圖形轉移到所要制備的材料襯底上，通過(guò)沉積，刻蝕等步驟最終實(shí)現超構表面結構的制備；而印刷類(lèi)技術(shù)一般不需要掩模板或者利用已有的掩模板在基板上直接印刷沉積超構表面。此外，還有以電子束直寫(xiě)、蘸筆印刷、聚焦離子束等為代表的直寫(xiě)類(lèi)技術(shù)。

超構表面突破了傳統光學(xué)和電磁理論的局限，同時(shí)具有易于加工等技術(shù)優(yōu)勢，通過(guò)結合MEMS工藝，超構表面能實(shí)現集成化批量低成本生產(chǎn)，被認為是下一代集成光子器件的首選技術(shù)。

超構表面在微測輻射熱計中的應用

超構表面是最近十多年才發(fā)展起來(lái)的新興領(lǐng)域，但其應用卻十分廣泛。從超構表面的本質(zhì)出發(fā)，它可以應用到各類(lèi)需對光的振幅、相位、偏振態(tài)等特性進(jìn)行調控的器件上。目前超構表面被廣泛應用于超透鏡、全息顯示、天線(xiàn)技術(shù)、微波和太赫茲器件以及隱身技術(shù)等領(lǐng)域。近年來(lái)，超構表面也被應用到了探測領(lǐng)域，并展現出其獨特的優(yōu)勢。

探測器的電信號都代表了入射光的強度。然而，探測器本身并不能完全利用光的其他電磁參數，如相位、頻率和偏振狀態(tài)等。因此，探測器通常需要與折射透鏡、光譜濾光片、偏振器和其他單獨的光學(xué)設備配對，以實(shí)現對光波其他特性的利用。超構表面有著(zhù)“人工原子”的特點(diǎn)，這意味著(zhù)可以微觀(guān)地去獨立設計每一個(gè)單元的結構和排布方式，從而實(shí)現光波電磁參數的獨立調控。因此，超構表面為開(kāi)發(fā)探測器件提供了一個(gè)通用的平臺。與傳統調制方法相比，超構表面可以用半導體芯片行業(yè)的標準進(jìn)行大規模制造，這不僅縮小了器件尺寸，降低了成本，也為批量化生產(chǎn)，提高效率提供了新方案。

測輻射熱計又稱(chēng)為電阻熱探測器，是利用熱敏電阻對溫度的敏感特性對入射的紅外輻射進(jìn)行探測的器件。其種類(lèi)較多，包括VO?、a-Si以及YBaCuO等，其中VO?和a-Si屬主流產(chǎn)品。隨著(zhù)微加工技術(shù)的發(fā)展，基于MEMS微橋結構技術(shù)制造的微測輻射熱計逐漸成為非制冷紅外探測器的主流。

目前一些常見(jiàn)的微測輻射熱計超構表面結構可以粗略地分為如圖2的幾種結構，包括：下凹孔洞型，如圖2(a)、(b)；上凸天線(xiàn)型，如圖2(c)、(d)、(e)、(f)。其中(a)、(d)為方塊型，(b)、(e)為圓柱型，(c)、(f)為其他一些特殊形狀。實(shí)際上應用到器件上的結構要復雜得多，且形式多樣。

圖2 微測輻射熱計超構表面結構類(lèi)型：(a)方塊狀孔洞型；(b)圓柱狀孔洞型；(c)花瓣狀天線(xiàn)型；(d)方塊狀天線(xiàn)型；(e)圓柱狀天線(xiàn)型；(f)十字狀天線(xiàn)型

就目前而言，超構表面在探測器上的應用主要是增強光吸收、優(yōu)化光譜選擇、綜合提高器件波段選擇吸收以及偏振極化等方面。而對于微測輻射熱計，超構表面的應用主要可以分為增強光吸收和優(yōu)化器件波段選擇兩方面。

增強光吸收

一般而言，在設計紅外探測器時(shí)會(huì )增加抗反射層或吸收增強結構來(lái)彌補敏感元自身吸收率低的缺陷。傳統的紅外吸收結構存在體積龐大、靈活性差、吸收不足等諸多問(wèn)題，不能滿(mǎn)足未來(lái)探測器多功能化、集成化、芯片化的發(fā)展趨勢。為此可以考慮利用微納結構來(lái)達到增強探測器吸收效率的目的，例如，減反射層的使用，表面等離子激元的激發(fā)，表面織狀結構的設計，光柵結構的利用等。

近年來(lái)，人們逐漸認識到超構表面在這一領(lǐng)域上的應用前景，提出了“超構表面完美吸收器”的概念。超構表面完美吸收器的實(shí)現原理是入射光波與超構表面結構單元間的諧振相互作用，因此可以把它看成一種諧振型吸收器。它們通常是由超構表面共振上層、中間電介質(zhì)消耗層、金屬薄膜下反射層組成的三層耦合結構。

如果入射光波的趨膚深度遠小于金屬膜的厚度，那么光波將無(wú)法穿透超構表面吸收器，即實(shí)現零透射。通過(guò)對超構表面共振層的選材、尺寸、結構、排列方式等參數的調節，可以使結構表面具有相同的有效介電常數和磁導率，進(jìn)而在特定波長(cháng)范圍內，超構表面與自由空間的表面阻抗得以匹配，使得入射光波完全被“約束”在中間電介質(zhì)消耗層內。通過(guò)來(lái)回的振蕩反射消耗，使得入射光波的能量被完全吸收，實(shí)現近乎100%的完美吸收。如果將超構表面完美吸收器與測輻射熱計集成，便可顯著(zhù)提高探測器的響應率。

圖3 幾種超構表面吸收結構及其結果

早在2009年，Thomas Maier等人就提出了一種通過(guò)超材料來(lái)實(shí)現波長(cháng)可調和吸收可控的高響應率微測輻射熱計。2016年，Evan M. Smith等人設計了一種與氧化釩微測輻射熱計集成的長(cháng)波紅外吸收共振超構表面。如圖3(a)所示，該結構提供了長(cháng)波紅外的多個(gè)重疊共振，可以實(shí)現比通常應用的1/4諧振腔更寬的吸收范圍?；诒砻娴入x子體共振效應，Qi Li等人在2017年提出了一種周期性超構表面結構作為額外的吸收層，增強了中波和長(cháng)波紅外區域的雙波段吸收。如圖3(b)所示，該設計為SiN/VO?/SiN夾層結構，頂部有周期性金圓柱天線(xiàn)，增強了雙波帶吸收。同年，Joo-Yun Jung等人的研究證明了低損耗金屬超構表面可以顯著(zhù)增強微測輻射熱計的吸收，降低其熱質(zhì)量，其設計如圖3(c)所示。2019年，Omar Alkorjia 等人提出了一種如圖3(d)的超構表面結構，該結構設有一層下支撐臂結構用以提高填充系數。在8～14 μm輻射范圍內，通過(guò)調整超構表面尺寸（盤(pán)直徑和周期性），可以實(shí)現任意中心波長(cháng)光譜的選擇性完美吸收。

可以利用相對簡(jiǎn)單的人工幾何結構來(lái)實(shí)現入射電磁能量的完美吸收。但由于簡(jiǎn)單結構的單共振特性，這些超構表面只能實(shí)現非常窄的頻率帶寬?；谠S多不同的基本結構組合能夠建設性地耦合更多的共振，并擴大完美吸收的帶寬。Dwight W. Swett等人在2020年提出了一種多耦合超構表面吸收器設計。如圖3(e)，其結構形狀近似一組倒保角輪廓的紅玫瑰，此超構表面吸收器具有多重耦合吸收共振特性，在4.5 μm中心波長(cháng)上具有100%寬帶紅外吸收的特性。同時(shí)他們將此設計應用到了二氧化釩微測輻射熱計上，該超構表面結構的使用使微測輻射熱計的吸收率、探測率、噪聲等性能指標都有了明顯的提升。

改善器件波段選擇

紅外光與可見(jiàn)光類(lèi)似，在其傳播過(guò)程中會(huì )遭到大氣中各種物質(zhì)的“阻礙”，通常表現為被大氣中的塵埃、顆粒等反射（散射）、吸收和透射。不同波長(cháng)的光波在大氣中傳播時(shí)被消耗的量是不一樣的，大氣對紅外線(xiàn)消耗較少的波段，被形象地稱(chēng)為“大氣窗口”。紅外波段根據大氣窗口不同，可粗略分為短波紅外波段（0.76～3 μm）、中波紅外波段（3～5 μm）和長(cháng)波紅外波段（8～14 μm）。在應用中，對紅外探測的具體要求是具有高靈敏度和強識別能力，能在復雜的背景中分辨識別目標。要做到高靈敏度，就需要探測器吸收材料能夠與所探測的目標輻射間實(shí)現頻率匹配，為了達到這一目的，需要對入射光譜進(jìn)行選擇過(guò)濾。而強識別能力的實(shí)現，很大程度上取決于對探測器背景噪聲的控制。

光電探測器的背景噪聲來(lái)自于從探測器結構中發(fā)射或吸收光子數量的波動(dòng)。相比之下，熱探測器的背景噪聲和輻射噪聲都來(lái)源于發(fā)射或吸收光子總能量的波動(dòng)。

相比于寬光譜吸收，窄光譜區域吸收能量波動(dòng)較小，器件熱導率低，背景噪聲要低得多。因此光譜選擇對于微測輻射熱計而言尤為重要。有很多種方法可以實(shí)現其光譜選擇，目前最常用的方法是在微測輻射熱計上配置一個(gè)法布里-珀羅過(guò)濾器，它通過(guò)阻斷所需光譜區域以外的光譜傳輸來(lái)實(shí)現器件的光譜選擇，但它對探測器的背景噪聲影響很小。當然可以選擇制冷的方式降低噪聲，但代價(jià)是探測器會(huì )變得極其笨重且昂貴。波長(cháng)選擇超構表面的出現為微測輻射計光譜的選擇提供了一條低成本、輕質(zhì)量、集成化的解決思路。

Thomas Maier等人在2009年提出通過(guò)超材料來(lái)實(shí)現波長(cháng)可調和吸收可控的高響應率微測輻射熱計后，又于2010年提出了如圖4(a)所示的超材料結構。該設計將金屬-介質(zhì)-金屬臺面組成的吸收型超材料集成到傳統的微測輻射熱計上，通過(guò)改變超材料的尺寸參數可以使微測輻射熱計具有波長(cháng)選擇性，連續屏蔽層能夠有效地阻擋除諧振分量以外的所有波長(cháng)分量傳輸，展示了它們在帶寬調諧方面的潛力。由于超構表面吸收譜非常窄，只能吸收單一諧振頻率。所以拓展工作帶寬對于超構表面在微測輻射熱計波長(cháng)選擇上的應用具有十分重要的意義。2013年，Hoo Kim等人提出了一種三維堆疊雙帶微測輻射熱計的設計。如圖4(b)，他們設計了兩種不同圖案類(lèi)型的電阻板層，利用帶外傳輸和反射特性，組合兩層結構來(lái)提高單個(gè)層的吸收效率。著(zhù)重分析并模擬了雙帶微測輻射熱計每一層對應的吸收機理，使下部腔型層能夠有效地吸收長(cháng)波紅外波段能量，而疊加的偶極型層則吸收中波紅外波段能量。

圖4 幾種超構表面波長(cháng)選擇結構及其結果

2015年，Joo-Yun Jung等人提出了一種在長(cháng)波紅外波段上的波長(cháng)選擇性超構表面吸收器并將其應用于多光譜微測輻射熱計上。如圖4(c)，制備的超構表面吸收器在長(cháng)波紅外波段顯示出了有效的窄帶波長(cháng)選擇吸收特性，并證明了使用不同尺寸的超構表面結構所表現出的三色光譜響應。顯示了波長(cháng)選擇性超構表面吸收器在多光譜微測輻射熱計應用上的優(yōu)越性。同年，Kaikai Du等人研究了一種如圖5(a)的基于超構表面吸收器的微測輻射熱計。該微測輻射熱計由幾層薄層組成，吸收器的總厚度只有185 nm。2016年，Tao Liu等人綜合考慮了窄帶和寬帶紅外超構表面集成微測輻射計的設計，提出了如圖5(b)所示的六邊形封閉圓盤(pán)超構表面結構，實(shí)現了通過(guò)長(cháng)波紅外窗口的窄帶和寬帶吸收。而后在2019年，他們又在此基礎上提出了兩種基于超構表面的微測輻射熱計，以實(shí)現長(cháng)波紅外的寬帶吸收。如圖5(c)，在第一個(gè)設計中，通過(guò)超構表面的使用，解除了器件對法布里-珀羅1/4腔的依賴(lài)。同時(shí)將橋腿設置在像元下方可以在不犧牲填充系數的情況下增加腿的長(cháng)度，增大微測輻射熱計和基板之間的熱阻。第二個(gè)設計擴展了該結構，在微測輻射熱計上方又增加了第二個(gè)微測輻射熱計，每個(gè)微測輻射熱計上的超構表面可以被設計為只捕獲部分光譜，將其組合便能最大限度地提高整個(gè)長(cháng)波紅外波段的總吸收率。

圖5 幾種超構表面波長(cháng)選擇結構及其結果

為了能夠更加靈活地使用超構表面進(jìn)行微測輻射熱計的光譜調控，學(xué)者們開(kāi)始關(guān)注其動(dòng)態(tài)調控特性。Timothy A. Creazzo等人在2017年設計了兩種超構表面吸收器的調諧方法并使其應用于與微測輻射熱計的集成。如圖6(a)，第一種方法是在器件的光柵和背板之間的液晶（LC）上施加電壓，由于外加電壓下液晶折射率的變化，共振峰從0 V時(shí)的11 μm轉移到6 V時(shí)的9.6 μm。另一種方法是改變如圖5(a)左下圖所示結構的空腔厚度，這可以通過(guò)摻入壓電致動(dòng)器來(lái)實(shí)現。

圖6 幾種超構表面波長(cháng)選擇結構及其結果

2019年，Thang Duy Dao等人提出了如圖6(b)所示的波長(cháng)選擇性超構表面微測輻射熱計吸收結構。實(shí)驗表明，僅通過(guò)改變超構表面諧振器的尺寸，就可以很容易地調諧微測輻射熱計的諧振率。隨著(zhù)研究的深入，超構表面對光波的其他特性（如偏振）的調控也被應用到了微測輻射熱計上。2022年，Fei Yi等人提出了兩種基于超構表面吸收器的VO?微測輻射熱計，分別在5.3～6.6 μm和6.0～7.4 μm的光譜波段進(jìn)行光譜和偏振檢測。如圖6(c)所示，通過(guò)調整納米帶天線(xiàn)的尺寸和氮化硅間隔片的厚度，MIM結構的阻抗可以與真空結構的阻抗相匹配，從而產(chǎn)生光譜選擇性和偏振選擇性光吸收。

要說(shuō)明的是，上述關(guān)于超構表面增強光吸收和優(yōu)化波段選擇的分類(lèi)只是側重點(diǎn)不同，事實(shí)上以上提到的超構表面設計在改善微測輻射熱計波段選擇的同時(shí)也增強了它的吸收，不僅如此，由此帶來(lái)的諸如響應率增加，噪聲減小等正面效應也是不容忽視的。

結論及展望

超構表面受到廣泛關(guān)注和研究的原因在于它在保留超材料超常特性的同時(shí)突破了超材料的限制；同時(shí)在調控電磁波振幅、相位、偏振、極化方式等方面顯示出了優(yōu)越性，具有極大的應用前景。

本文首先從超構表面的發(fā)展及實(shí)現方式等角度出發(fā)，介紹了超構表面的基本概念和發(fā)展潛力。接著(zhù)重點(diǎn)對其在微測輻射熱計上的應用進(jìn)行了歸納闡述，將超構表面結構與微測輻射熱計結合，可以大幅度提高微測輻射熱計的紅外吸收，通過(guò)優(yōu)化超構表面吸收層的種類(lèi)、形貌、大小以及排列方式，能夠進(jìn)一步實(shí)現對微測輻射熱計諧振頻率、帶寬等的調控。

可以預見(jiàn)，超構表面將朝著(zhù)更低損耗、更寬頻段、更可調諧、更易加工、更高透過(guò)率等高要求的方向發(fā)展。隨著(zhù)理論基礎的完善，加工技術(shù)的進(jìn)一步成熟，大批研究學(xué)者的加入，超構表面將成為一門(mén)獨立的學(xué)科，受到更多人的重視。同時(shí)它也將拓展到更多的領(lǐng)域，對各行各業(yè)產(chǎn)生更大的影響。

對于微測輻射熱計而言，超構表面在改善器件波段選擇，增強光吸收方向的優(yōu)勢已被多個(gè)團隊通過(guò)仿真和實(shí)驗證明。形成了“多光譜窄帶完美吸收”的效果，回歸到超構表面的本質(zhì)，可以預見(jiàn)光的諸如偏振，相位等更多電磁屬性將被進(jìn)一步發(fā)掘，同時(shí)朝著(zhù)工業(yè)化的方向發(fā)展。隨著(zhù)人們對高科技產(chǎn)品需求的提高以及微測輻射熱計在人們生產(chǎn)生活中的廣泛應用，這項技術(shù)將會(huì )得到快速發(fā)展，微測輻射熱計的體積重量將越來(lái)越小，集成化度和功能密集度將越來(lái)越高，成本和價(jià)格將越來(lái)越低。

超構表面的出現，為制備微測輻射熱計提供了嶄新的途徑。隨著(zhù)越來(lái)越多學(xué)者們的探索，未來(lái)超構表面將在微測輻射熱計領(lǐng)域中產(chǎn)生更多顛覆性的作用。

審核編輯：劉清