來源：新加坡科技研究局(A*STAR)；電子科技大學(xué)紅外毫米波與太赫茲研究院 劉洋 編譯

（左圖）描述的是由丁、滕以及該實(shí)驗(yàn)室其他同事研發(fā)的一種新型的可調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)實(shí)物設(shè)備。（右圖）描述的是THz波擊中相互連接的p型和n型半導(dǎo)體硅指狀物表面時(shí)，使用外加電壓可精確控制反射和傳輸?shù)妮椛淞康默F(xiàn)象。圖片來源：新加坡科技研究局•材料研究與工程研究所

在亞波長(zhǎng)尺度上掌握可控光源的能力將可能導(dǎo)致光子器件（如天線、太陽(yáng)能電池板，甚至是隱形器件）發(fā)生變革。而納米技術(shù)的進(jìn)步使這種情況成為可能，因?yàn)殡S著超表面的發(fā)展，材料的特征覆蓋更小波長(zhǎng)的光。

最近，由新加坡科技研究局研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制造出了一種很有前景的超表面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以使用傳統(tǒng)電路精確控制，從而反射和傳輸不同數(shù)量的輻射。它甚至可以達(dá)到“全抗反射”的條件，在這種情況下材料不反射任何輻射。具體來說，該表面使用的是寬帶太赫茲輻射，這種輻射位于紅外光譜的遠(yuǎn)端，具有許多潛在的用途，特別是在安全或醫(yī)療領(lǐng)域。

“太赫茲輻射可以穿透各種各樣的非導(dǎo)電材料，但被液態(tài)水或金屬阻擋”， 在新加坡科技研究局材料研究與工程研究所（IMRE）與滕京華共同領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)工作的丁璐解釋說。“這意味著太赫茲光束可以用于材料表征、層檢測(cè)和產(chǎn)生固體物體內(nèi)部的高分辨率圖像。并且它是非電離輻射，比X射線更安全。”

以前超表面常被用來控制太赫茲輻射的反射。然而，這樣的應(yīng)用是有局限性的，正如丁璐研究員解釋的那樣：“傳統(tǒng)的太赫茲減反射表面是被動(dòng)的，通常使用一種超薄的金屬涂層，一旦制造出來，就變得固定，你不能主動(dòng)調(diào)整它的性能。”

“一個(gè)電可調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)可制造很多的實(shí)現(xiàn)各種功能的設(shè)備，并在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上更有靈活性，”滕補(bǔ)充說。“這正是我們團(tuán)隊(duì)正在尋找的突破點(diǎn)。”

丁和滕與新加坡科技研究局微電子研究所（IME）、南洋理工大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué)和中國(guó)吉林大學(xué)的同事一起，在硅片上制備了新的超表面結(jié)構(gòu)，使用與互補(bǔ)金屬完全兼容的工藝---支撐大多數(shù)電子產(chǎn)品的氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)。

暴露的超表面含有摻雜了其他元素的半導(dǎo)體硅條紋。這些條紋是交替的n型，其中移動(dòng)電荷載流子是電子，而p型，其中載流子是電子結(jié)構(gòu)中帶正電荷的“空穴”。當(dāng)向p-n結(jié)提供的電壓發(fā)生變化時(shí)，輻射的反射和傳輸也發(fā)生變化。

研究小組認(rèn)識(shí)到反射系數(shù)隨著外加電壓引起的溫度升高而增加。同時(shí)，傳輸表現(xiàn)出更復(fù)雜的響應(yīng)取決于電壓極性，從而影響了占主導(dǎo)地位的電荷載流子的類型。利用太赫茲時(shí)域光譜，研究組發(fā)現(xiàn)，特定的電壓條件會(huì)導(dǎo)致從超表面發(fā)出的回波脈沖消失，代表著完全的抗反射。

除了提供對(duì)反射和透射進(jìn)行前所未有的控制之外，這種超表面還具有幾乎完全在原子水平上平坦的優(yōu)點(diǎn)。這使得它非常適合在更復(fù)雜的設(shè)備中構(gòu)建平滑的層。

“我們研究的另一大優(yōu)勢(shì)課題是二維材料如何與二維超材料或超表面相互作用，這是我們?cè)谛录悠驴萍佳芯烤侄S半導(dǎo)體Pharos項(xiàng)目中的一個(gè)課題。” 滕說：“原子級(jí)光滑的表面使2-D-Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移和形成比傳統(tǒng)超表面上看到的納米尺寸柱或圓盤圖案表面容易得多。”

“我們可以通過獨(dú)立地偏壓P-N連接或設(shè)計(jì)模塊化功能，進(jìn)一步開發(fā)這種類型的超表面，這意味著我們將擁有預(yù)編程超材料，”丁說。滕補(bǔ)充說，同樣的平臺(tái)也可以用來研究像二硫化鉬這樣有前途的二維材料，這種材料在新的柔性電路中表現(xiàn)出令人印象深刻的電子和光學(xué)特性。