调谐太赫兹传输

在亚波长尺度上操纵光的能力可能导致光子器件（如天线、太阳能电池板，甚至是隐形器件）发生革命。纳米技术的进步使这一点成为可能，因为超表面是一种覆盖在比光波长更小的特征中的材料。

（左）一个安装的设备，包括丁、滕和同事开发的新的可调谐超表面。（右）当太赫兹辐射击中相互连接的p型和n型半导体硅指表面时，可使用外加电压精确控制反射和传输的辐射量。

现在，由A*Star研究人员领导的一个团队已经制造出一种非常有前途的超表面，这种超表面可以使用传统电路精确控制，从而反射和传输不同数量的辐射。它甚至可以达到“完全反反射”的条件，在那里它根本不反射任何辐射。具体来说，月球表面使用的是宽带太赫兹辐射，这种辐射位于红外光谱的远端，具有许多潜在的用途，特别是在安全或医疗领域。

“太赫兹辐射可以穿透各种各样的非导电材料，但被液态水或金属阻挡，”在A*Star材料研究与工程研究所（IMRE）与金华腾共同领导这项工作的陆鼎解释说。“这意味着太赫兹光束可用于材料表征、层检测和产生固体物体内部的高分辨率图像。它是非电离辐射，比X射线更安全。”

以前的超表面被设计用来操纵太赫兹辐射的反射。然而，他们的应用是有限的，正如丁解释的那样：“传统的太赫兹减反射表面是被动的，通常使用一种超薄的金属涂层，一旦制造出来，就变得固定，你不能主动调整它的性能。”

“电可调超表面将产生更多的通用设备，并在系统设计中提供更多的灵活性，”滕补充说。“这是社区正在寻找的突破。”

丁和滕与中国南洋理工大学、新加坡国立大学和吉林大学A*Star微电子研究所（IME）、南洋理工大学、中国吉林大学的同事一起，采用完全与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术兼容的工艺，在硅片上制备了新的超表面。支撑大多数电子设备。

暴露的超表面含有掺杂了其他元素的半导体硅条纹。这些条纹是交替的n型，其中移动电荷载流子是电子，而p型，其中载流子是电子结构中带正电荷的“空穴”。当向p-n结提供的电压发生变化时，辐射的反射和传输也发生变化。

研究小组认识到，反射系数随着外加电压引起的温度升高而增加。同时，由于电压极性的不同，传输的响应更加复杂，从而影响了占主导地位的电荷载体的类型。利用太赫兹时域光谱，研究小组表明，特定的电压条件会导致从超表面发出的回波脉冲消失，这代表了完全的抗反射。

除了对反射和透射进行前所未有的控制之外，超表面还具有几乎完全在原子水平上平坦的优点。这使得它非常适合在更复杂的设备中构建平滑的层。

Teng说：“我们的另一大优势是研究二维材料如何与二维超材料或超表面相互作用，这是我们在A*Star的二维半导体Pharos项目中的一个主题。”“原子级光滑的表面使二维硅异质结构的转移和形成比传统超表面上看到的纳米柱或圆盘图案表面容易得多。”

“我们可以通过独立地偏压P-N连接或设计模块化功能来进一步开发这种类型的超表面，这意味着我们将拥有预编程的超材料，”丁说。滕补充说，同样的平台也可以用来研究有前途的二维材料，比如二硫化钼，在新的柔性电路中显示出令人印象深刻的电子和光学特性。