近日，中国科学院上海光学精密机械研究所激光与红外材料实验室的研究人员在多功能超构表面切换方面取得了进展。基于石墨烯和二氧化钒，在太赫兹波段实现了吸收–多功能超构表面可用于多波段完美吸收器和太赫兹抗反射涂层。以相关研究成果为准Nanolayered VO2-Based Switchable Terahertz Metasurfaces as Near-Perfect Absorbers and Antireflection Coatings为题发表于ACS Applied Nano Materials。
超构表面因其在亚波长尺度下控制电磁波的显著能力而受到广泛关注。完美吸收和增强透射是调节电磁波振幅的两种方法。然而，由于吸收、反射和透射之间的关系难以平衡，现有的超构表面只具有完美吸收或增强电磁波振幅的功能之一–透射可切换光学器件面临严峻挑战。这不利于现代集成化和小型化光学系统的发展。
研究团队利用石墨烯的电可调性和二氧化钒的相变特性，实现了集独立可调完美吸收器和抗反射涂层于一体的可切换多功能超构表面。研究发现当二氧化钒为金属态时，所提出的超构表面可用作完美吸收器，并可通过调节石墨烯的费米能级实现对四个吸收峰的独立调控；当二氧化钒为介质态时，所提出的超构表面可用作抗反射涂层，在6.2 THz抑制反射（R = 0.31%（T = 98.2%)相关设备中，98.2%没有实现。此外，利用多重反射干涉理论模型，研究成功地解释了两种功能器件的内在物理机制，理论与实验结果一致。该研究结果不仅具有许多实际应用（电磁隐形、空间调制器和滤波器），而且为开发具有可切换功能的集成纳米光子设备提供了新的途径。
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国家自然科学基金、上海青年拔尖人才计划等项目支持相关工作。
图1 多功能超构表面的结构示意图
图2 (a) 超构表面提出的多重反射干涉理论模型示意图；(b) 当二氧化钒处于金属状态时，理论和模拟的吸收谱；(c) 当二氧化钒是介质状态时，理论和模拟获得的透射谱和反射谱
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