在納米科技飛速發(fā)展的當(dāng)下，超表面作為一種新型人工材料，正逐漸走進(jìn)大眾視野，成為科研領(lǐng)域的熱門話題。在光探測領(lǐng)域，它能大幅提升光吸收效率和光譜選擇性，助力制造出更靈敏、更小巧的探測器，廣泛應(yīng)用于成像和光通信等方面。Luminbox太陽光模擬器正致力于學(xué)習(xí)超表面技術(shù)，優(yōu)化太陽光譜匹配算法，改善實(shí)驗(yàn)室光源與自然光照條件的一致性，為光伏、材料等領(lǐng)域的測試提供更可靠的光學(xué)基礎(chǔ)。

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超表面：從基礎(chǔ)到應(yīng)用的跨越

超表面研究正處于從基礎(chǔ)科學(xué)邁向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵階段，堪稱光學(xué)領(lǐng)域的第二次革命。它由精心設(shè)計(jì)的納米天線構(gòu)成，能精確控制光的各種特性。在顯示技術(shù)中，超表面可以實(shí)現(xiàn)角度無關(guān)、色彩鮮艷且可調(diào)節(jié)的顯示效果；在光發(fā)射控制方面，超表面通過珀塞爾效應(yīng)和連續(xù)域束縛態(tài)（BICs），有效操縱自發(fā)輻射。

超表面研究中的關(guān)鍵要素及其相互關(guān)系

圖

但是，超表面的發(fā)展仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，例如復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)的精確制造難題、材料的損耗問題、可擴(kuò)展性不足，以及與現(xiàn)有平臺(tái)集成時(shí)的兼容性問題等。

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多極共振：超表面的核心“引擎”

光與納米結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)，會(huì)引發(fā)奇妙的多極共振現(xiàn)象。米氏共振描述了全介質(zhì)納米粒子和納米天線的共振散射現(xiàn)象，涉及電和磁多極模式的激發(fā)，是光與物質(zhì)相互作用增強(qiáng)的關(guān)鍵。多極共振在特定頻率下，會(huì)使納米結(jié)構(gòu)的高階多極矩與入射電磁波發(fā)生共振，產(chǎn)生強(qiáng)烈的散射或吸收現(xiàn)象。

金-硅混合超表面的光學(xué)特性圖

廣義Kerker效應(yīng)基于多極激發(fā)原理，能精確控制光的定向散射，突破了傳統(tǒng)散射的限制，為光的操控提供了更廣闊的設(shè)計(jì)空間。此外，周期性納米天線陣列的集體共振也很重要，通過調(diào)整陣列的周期性，能夠?qū)崿F(xiàn)晶格共振，提升光與物質(zhì)的相互作用效率，使超表面在傳感、濾波和非線性光學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

Kerker效應(yīng)圖

科研人員在模擬和實(shí)驗(yàn)中非常注重關(guān)鍵參數(shù)的精確設(shè)定，以確保超表面研究的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。數(shù)值模擬常用有限差分時(shí)間域和有限元方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測量得到的光學(xué)常數(shù)對(duì)納米天線及其陣列進(jìn)行建模。實(shí)驗(yàn)研究則借助電子束光刻等技術(shù)制備超表面，并利用多種光學(xué)表征方法獲取數(shù)據(jù)，為超表面的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供支持。

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超表面增強(qiáng)的光探測與傳感

超表面在光探測和傳感領(lǐng)域的應(yīng)用，為現(xiàn)代科技帶來了新的突破。它能通過精確操控光與物質(zhì)的相互作用，顯著提升光探測器的性能。

例如，通過優(yōu)化光吸收機(jī)制，利用等離子體和米氏共振，超表面可以提高探測器的靈敏度、拓寬檢測范圍，還能實(shí)現(xiàn)多功能探測，在量子計(jì)算、高速通信和自動(dòng)駕駛等前沿領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

各種各樣的超表面增強(qiáng)光探測器不斷涌現(xiàn)。單層二硫化鉬與氮化鉿等離子體超表面集成的探測器，能大幅增強(qiáng)光吸收和光電流產(chǎn)生，還具有極低的暗電流和高探測率；

混合間隙-等離子體超表面可以改善二硫化鉬探測器的性能，提高其偏振靈敏度；

銻化三硫納米光柵實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)顏色濾波和自適應(yīng)光探測。

光電探測器示意圖

此外，光門效應(yīng)也是超表面增強(qiáng)光探測器性能的重要機(jī)制。它是指入射光改變材料中的電荷載流子密度，即使在光照移除后，也能導(dǎo)致電導(dǎo)率的持續(xù)變化。在一些集成二維材料的超表面光探測器中，光門效應(yīng)能顯著增強(qiáng)光電流，提高探測器的性能。

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未來展望：超表面的無限潛力

超表面憑借其獨(dú)特的多極共振、BICs和光-物質(zhì)相互作用特性，為光探測器的發(fā)展提供了強(qiáng)大的支持。通過精確控制多極模式，我們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光散射和吸收的精細(xì)調(diào)控；BICs則能增強(qiáng)光學(xué)能量的集中，提高器件的性能；這些效應(yīng)還能顯著影響自發(fā)輻射，提升量子效率和光子提取效率。

未來，超表面技術(shù)還有很大的發(fā)展空間。作為專業(yè)的光學(xué)設(shè)備制造商，Luminbox太陽光模擬器致力于為科研與工業(yè)測試提供高精度、穩(wěn)定可靠的光源解決方案，我們將持續(xù)關(guān)注超表面技術(shù)，期待超表面在未來創(chuàng)造更多的奇跡。

原文出處:《Metasurfaces with Multipolar Resonances and Enhanced Light–Matter Interaction》

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