2019年12月23日，光电子领域期刊《ACS Photonics》在线发表了上交电子信息与电气工程学院副教授朱卫仁课题组的研究论文“Electrically tunable metasurface with independent frequency and amplitude modulation”。该工作研究了微波频段内石墨烯三明治结构电磁特性的调控方法并与动态可调高阻抗表面相结合，以反射性低剖面单元结构为基础，设计一款基于石墨烯的动态可调超表面，通过外加电压实现在微波频段内电磁波响应幅度和频率的大范围独立调控，为石墨烯在超表面的应用提供了有益指导，同时也为设计超表面带来新的自由度。论文的第一作者为博士生张金，通讯作者为朱卫仁。论文的合作者包括中国科学院重庆绿色智能技术研究院研究员魏兴战、悉尼大学Ivan D. Rukhlenko、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室陈侯通。

相关背景

近年来，利用超表面对电磁波的动态操控在波束赋形、传感探测、扫描聚焦、极化调控以及信号调谐等方面具有广泛的应用前景。电磁超表面对电磁波的调控特性与单元结构的几何参数和材料参数密切相关，因此特定功能的单元结构一旦被设计成型，其对电磁波的调控功能也就无法调节，在一定程度上造成了资源浪费，设计电控动态可调超表面即成为当前的研究热点。传统的动态可调超表面基于PIN管或者变容二极管等可调元件以实现相位的改变，这种方法需要设计复杂的馈电网络以驱动每个可调元件。此外，由于受限于单一的调控方法，绝大多数的动态可调超表面难以实现幅度和频率响应的独立调控，成为亟待解决的难题。

图1. 基于石墨烯的超表面实现反射幅度/频率独立调控.

创新研究

此项工作基于石墨烯三明治结构设计了一款动态可调的反射型超表面，其反射幅度与响应频率可由两个独立电压源分别控制。石墨烯三明治结构是由上下两片单层石墨烯中间加载电解液层构成。当在石墨烯层上加载电压时，离子液层中的正负离子分别向上下两层石墨烯聚集，形成一个超级电容器。通过这种方式，石墨烯的表面电阻可以在较低的电压变化下实现大范围的调控。将这种新型调控方式与可调高阻抗表面相结合，可实现幅度/频率响应的独立调控。可调高阻抗表面是由金属单元加载变容二极管设计实现。为了降低加工复杂度，该设计将馈电网络与超表面单元结合，采用平面式馈电避免了过孔对整体性能的影响。实验测试证明，此项工作设计的超表面可以通过两个电压源实现反射幅度与频率的独立调控，且具有低剖面和大范围可调的优点。此项工作对设计多功能超表面提供了新的自由度并且有效地推动了石墨烯在微波频段内的实际应用。

图2. (a)/(b)/(c)超表面结构示意图. (d)/(e)/ (f)外加电压调控石墨烯三明治结构费米能级示意图.

图3 . (a)石墨烯三明治结构加工图. (b)动态可调超表面加工图. (c)波导测试装置图. (d)反射频率动态调控测试图. (e)反射频率动态调控测试图.

资助项目

该工作得到了国家自然科学基金项目(61701303,11574308)和上海市自然科学基金项目(17ZR1414300)的资助。

论文连接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.9b01532

ACS Photonics为光电子领域顶级期刊，中科院分区工程技术和光学类一区，目前影响因子为7.143。