1 中国科学院上海技术物理研究所 红外物理国家重点实验室，上海 200083
2 湖州学院 电子与信息系，浙江 湖州 313000
3 复旦大学 光电研究院，上海 200433
4 国科大杭州高等研究院 物理与光电工程学院，浙江 杭州 310024
亚波长薄膜堆栈超构材料，作为超构材料领域一个特殊的组成部分，因其具有亚波长厚度、无需复杂光刻加工以及可低成本大面积制备等诸多优点，吸引了人们越来越多的关注。本文聚焦回顾近些年亚波长薄膜堆栈超构材料相关研究进展，首先简要回顾了多层薄膜堆栈体系的基础理论研究方法，侧重介绍了亚波长薄膜堆栈超构材料的新理论新设计；接着，着重介绍了基于亚波长薄膜堆栈超构材料的若干典型应用，具体包括结构色调控、光致发光增强、窄带红外光源、红外伪装以及其他一些有趣应用；最后，探讨并展望了亚波长薄膜堆栈超构材料领域未来的发展方向以及其可能遇到的问题挑战。
超构材料 亚波长 薄膜堆栈 光学器件 metamaterials subwavelength thin-film stacks optical devices
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外物理国家重点实验室, 上海 200083
2 湖州学院 电子与信息系, 浙江 湖州 313000
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 国科大杭州高等研究院 物理与光电工程学院, 浙江 杭州 310024
5 同济大学 物理科学与工程学院, 上海 200092
近年来, 利用金属纳米结构表面等离激元共振提高半导体材料的发光效率取得了重要进展, 但是相关结构体系面临着加工技术复杂、重复性差等缺点。本文报道了一种新型超薄、大面积、共振可调的平面双层纳米媒质用于增强量子点发光, 其结构由深亚波长厚度、高吸收率特性的氧化铜(CuO)薄膜和金(Au)薄膜构成。实验结果显示, 通过改变CuO薄膜厚度可以灵活调节CuO/Au双层堆栈结构的反射光谱, 以其为基底旋涂CsPbBr3钙钛矿量子点后与裸石英旋涂CsPbBr3量子点参考样品相比实现了最大7倍的荧光发光增强。理论分析表明, 荧光增强效应与强光学非对称法布里-珀罗薄膜干涉引起的高效光吸收和局域场增强导致的自发辐射速率加快相关。
荧光增强 CsPbBr3量子点 深亚波长 F-P干涉 自发辐射速率 photoluminescence enhancement CsPbBr3 quantum dots deep-subwavelength F-P interference spontaneous emission rate
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外物理国家重点实验室， 上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
3 上海师范大学 数理学院 物理系，上海 200234
4 国科大杭州高等研究院 物理与光电工程学院，浙江 杭州 310024
5 江苏省光伏科学与工程协同创新中心，江苏 常州 213164
传统外延阻挡杂质带探测器由于其材料物性和特殊的结构设计存在很强的反射，这些能量损失非常不利于器件的探测性能。报道了一种类光栅双层超构表面微结构阵列，并将此人工微结构引入到外延阻挡杂质带红外探测器以抑制对入射光的反射。实验结果显示，具有超构表面微结构阵列的器件在波长30 μm处反射率低于3%，在25.3～32.2 μm波段范围内反射率低于20%。同时，该超表面减反微结构对入射光的偏振还具有很强的选择性，符合第四代焦平面发展需求。
阻挡杂质带 红外探测器 减反 双层超表面 blocked impurity band infrared detector antireflection bilayer metasurfaces
1 复旦大学光科学与工程系, 上海 200433
2 复旦大学物理学系, 上海 200433
3 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
4 上海大学通信与信息工程学院, 上海 200444
实现自由调控电磁波不仅具有重要的科学研究意义,而且是通讯、能源、**等领域的迫切需求。为了解决自然材料调控电磁波能力受限的问题,人们提出了人工超构材料这一新概念,实现了负折射、光学隐身等奇异的电磁效应。然而,经过多年的发展,超构材料仍存在结构复杂、损耗偏高、难以集成调谐等挑战。最近,本团队与国际同行一起提出了超构表面的新概念。超构表面基于电磁波在平面微结构上散射时获得的界面相位突变,充分利用人工微结构的“排列序构”这一自由度,实现了对电磁波振幅、相位、偏振及波前分布的有效调控,克服了超构材料遇到的瓶颈问题。本文主要回顾了本团队在偏振调控、波前调控及动态调控等方面开展的创新性研究。
光学器件 超构表面 相位 偏振 波前
1 State Key Laboratory of Infrared Physics, Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
亚波长人工超构材料可以实现特定波长的近完美吸收，在红外光电器件应用中能够克服传统红外材料吸收效率低、厚度较大、工作波长受限于带隙等缺陷.本文利用金属/介质/金属结构构造了一种可大面积制备的亚波长结构，可以实现1-10 μm波段内的双波段红外超吸收.通过时域有限差分法模拟和实验分析，我们认为该吸收器高频的吸收峰，主要来源F-P共振干涉增强吸收；而低频红外波段的吸收峰，主要得益于电偶极共振和磁共振模式的激发.利用退火工艺调节上层金颗粒的大小，可以有效地调节两个吸收峰的位置.
超材料 近完美红外超吸收 表面等离子体共振 F-P共振 metamaterials nearly perfect infrared absorption localized surface plasmons resonance
1 上海大学 材料科学与工程学院, 上海 200444
2 中国科学院上海技术物理研究所 红外物理国家重点实验室, 上海 200083
近年来, 由亚波长人工微结构单元组成的超构材料, 因其具有自然材料所不具备的奇特物理性质, 吸引了人们的广泛关注.其中最有趣的应用之一就是利用亚波长人工微结构增强对电磁波的吸收.设计并实现了一种人工超构材料柔性可弯曲的高性能太赫兹吸收器.为了实现最优的结构设计, 分别对器件的结构周期、金属条宽度、介质层厚度和材料光学性质等关键结构及材料参数进行了系统优化.实验结果显示在频率3 THz附近器件峰值吸收率高达99%, 与数值模拟结果相吻合.
人工微结构 超吸收 太赫兹 柔性 artificial electromagnetic materials super-absorber terahertz wave flexible
1 东华大学 理学院, 上海 201620
2 中国科学院上海技术物理研究所 红外物理国家重点实验室, 上海 200083
3 中国科学院大学, 北京 100049
基于人工微结构超材料的先进理念, 设计制备工作波长可调的近红外大面积吸收器.器件制备采用纳米微球化学自组装方法制备顶层金属微结构, 该方法可制备大面积样品.实验结果显示, 吸收器在近红外波段峰值吸收率超过99%, 吸收波长可以通过结构单元几何尺寸调节.理论模拟结果不但与实验测量的数据相一致, 而且很好地阐述了器件高效光吸收的物理机理.
吸收器 微结构 大面积 高效 近红外 perfect absorber plasmonic nanostructures large area high performance near infrared
1 中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室， 上海 200083
2 中国科学院大学， 北京 100049
3 上海理工大学，上海 200093
超材料吸收器的高吸收率源于表面金属颗粒与介质层之间产生的局域等离激元共振以及由金属颗粒-介质层-金属反射层构成的微腔所导致的共振吸收。其吸收特性与金属颗粒的尺寸、形貌和介质层的材料和厚度密切相关。设计优化了一个在近红外波段1.2 m处具有近完美吸收的超材料吸收器。以该设计为蓝图，利用纳米压印技术制备了一系列具有不同介质层厚度的器件，并利用红外反射谱定量研究了这些器件的吸收特性。实验结果证实，用纳米压印技术制备的超材料器件具有工艺可靠性好、加工精度高等优点。实验测得的吸收率变化趋势与理论预期相符，吸收率较高。
超材料吸收器 纳米压印 metamaterial absorber local surface plasmon resonance LSPR nanoimprint lithography
