2019年12月23日，光電子領域期刊《ACS Photonics》在線發表了上交電子信息與電氣工程學院副教授朱衛仁課題組的研究論文「Electrically tunable metasurface with independent frequency and amplitude modulation」。該工作研究了微波頻段內石墨烯三明治結構電磁特性的調控方法並與動態可調高阻抗表面相結合，以反射性低剖面單元結構為基礎，設計一款基於石墨烯的動態可調超表面，通過外加電壓實現在微波頻段內電磁波響應幅度和頻率的大範圍獨立調控，為石墨烯在超表面的應用提供了有益指導，同時也為設計超表面帶來新的自由度。論文的第一作者為博士生張金，通訊作者為朱衛仁。論文的合作者包括中國科學院重慶綠色智能技術研究院研究員魏興戰、雪梨大學Ivan D. Rukhlenko、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室陳侯通。
相關背景
近年來，利用超表面對電磁波的動態操控在波束賦形、傳感探測、掃描聚焦、極化調控以及信號調諧等方面具有廣泛的應用前景。電磁超表面對電磁波的調控特性與單元結構的幾何參數和材料參數密切相關，因此特定功能的單元結構一旦被設計成型，其對電磁波的調控功能也就無法調節，在一定程度上造成了資源浪費，設計電控動態可調超表面即成為當前的研究熱點。傳統的動態可調超表面基於PIN管或者變容二極體等可調元件以實現相位的改變，這種方法需要設計複雜的饋電網絡以驅動每個可調元件。此外，由於受限於單一的調控方法，絕大多數的動態可調超表面難以實現幅度和頻率響應的獨立調控，成為亟待解決的難題。
圖1. 基於石墨烯的超表面實現反射幅度/頻率獨立調控.
創新研究
此項工作基於石墨烯三明治結構設計了一款動態可調的反射型超表面，其反射幅度與響應頻率可由兩個獨立電壓源分別控制。石墨烯三明治結構是由上下兩片單層石墨烯中間加載電解液層構成。當在石墨烯層上加載電壓時，離子液層中的正負離子分別向上下兩層石墨烯聚集，形成一個超級電容器。通過這種方式，石墨烯的表面電阻可以在較低的電壓變化下實現大範圍的調控。將這種新型調控方式與可調高阻抗表面相結合，可實現幅度/頻率響應的獨立調控。可調高阻抗表面是由金屬單元加載變容二極體設計實現。為了降低加工複雜度，該設計將饋電網絡與超表面單元結合，採用平面式饋電避免了過孔對整體性能的影響。實驗測試證明，此項工作設計的超表面可以通過兩個電壓源實現反射幅度與頻率的獨立調控，且具有低剖面和大範圍可調的優點。此項工作對設計多功能超表面提供了新的自由度並且有效地推動了石墨烯在微波頻段內的實際應用。
圖2. (a)/(b)/(c)超表面結構示意圖. (d)/(e)/ (f)外加電壓調控石墨烯三明治結構費米能級示意圖.
圖3 . (a)石墨烯三明治結構加工圖. (b)動態可調超表面加工圖. (c)波導測試裝置圖. (d)反射頻率動態調控測試圖. (e)反射頻率動態調控測試圖.
資助項目
該工作得到了國家自然科學基金項目(61701303,11574308)和上海市自然科學基金項目(17ZR1414300)的資助。
論文連接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.9b01532
ACS Photonics為光電子領域頂級期刊，中科院分區工程技術和光學類一區，目前影響因子為7.143。